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CORROSION ELECTROQUIMICA DEL CONCRETO REFORZADO CON
ADICIONES DE MICROSILICE
T E S I S
QUE PARA OBTENER EL GRADO DE
DDOOCCTTOORR EENN CCIIEENNCCIIAA DDEE MMAATTEERRIIAALLEESS..
PRESENTA:
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO.
DIRECTOR DE TESIS:
DR. FACUNDO ALMERAYA CALDERÓN.
EGRESADO DEL PROGRAMA DE DOCTORADO EN CIENCIA DE
MATERIALES CON EL ACUERDO DE RECONOCIMIENTO OFICIAL DE
ESTUDIOS 965032
Chihuahua, Chih. México Junio 2012.
I
ÍNDICE
Agradecimientos
Listado de Figuras i
Lista de Gráficas iii
Lista de Tablas v
Introducción
Antecedentes
Hipótesis
Objetivos
Capítulo I. Fundamentos de Corrosión en Concreto
1.1. Corrosión en Estructuras de Concreto
1.2. Corrosión del Acero de Refuerzo
1.3 Principios de Corrosión
1.3.1 Termodinámica de la Corrosión
1.3.2 Potencial del Electrodo.
1.3.3 Diagramas de Pourbaix (Potencial – pH)
1.4 Métodos de Medición
1.4.1. Potenciales de Corrosión
1.4.2 Velocidad de Corrosión
II
1.4.3 Ruido Electroquímico
1.4.3.1 Métodos de Análisis
1.4.3.1.1 Series de Tiempo
1.4.3.1.2 Métodos Estadísticos
Capítulo II. Metodología Experimental
2.1 Materiales
2.2 Definición De Variables.
2.3 Métodos
2.3.1 Pruebas Mecánicas.
2.3.2 Nomenclatura De Las Probetas De Estudio.
2.3.3 Pruebas Electroquímicas.
2.3.4 Potenciales de Media Celda
2.3.5 Resistencia a la Polarización Lineal (RPL)
2.3.6 Ruido Electroquímico
2.3.6.1 Análisis De Ruido Electroquímico
2.4 Pruebas Químicas.
2.4.1 Cloruros
Capítulo III. Resultados y discusión
3.1 Potenciales de Media Celda
3.2 Resistencia a la Polarización Lineal (RPL)
3.3 Ruido Electroquímico
III
3.4 Comparativa de los resultados de laboratorio Vs Especímenes de prueba.
Capítulo IV. Conclusiones y Recomendaciones
4.1. Conclusiones
4.2. Recomendaciones
Capitulo V. Referencias
5.1. Referencias
1
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Dedicatoria.
A mi esposa e hijos Cristy, Alexa y Uber.
2
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Agradecimientos
A Dios por todas las bendiciones que me ha otorgado.
A mi esposa por su amor, comprensión y apoyo.
A mis padres Ruth y Mauro, por su amor, apoyo y buen ejemplo, a mis hermanos por su cariño y buenos recuerdos y a los amigos que han compartido diferentes etapas de mi vida dándome apoyo, consejo y gratos recuerdos.
Al Centro de Investigación en Materiales Avanzados CIMAV S.C. por haberme acogido durante la elaboración de este trabajo y donde conocí a gente muy valiosa y buenos amigos.
A la Dra. Citalli Gaona Tiburcio quien dirigió la mayor parte del tiempo esta investigación por su valioso tiempo y orientación
.
Al Dr. Facundo Almeraya Calderón, investigador del Centro de Investigación en Materiales Avanzados, quien dirigió y asesoro la investigación, por su orientación y valiosos consejos para la elaboración este trabajo.
A los maestros y técnicos de CIMAV, por transmitirme sus conocimientos y valiosa experiencia, principalmente al M.I Adán Borunda Terrazas.
A mis sinodales Dr. Alberto Martínez Villafañe, Dr. Miguel Ángel Neri Flores, Dr. José Guadalupe Chacón Nava, Dr. Raúl Sandoval Javalera y al Dr. José Castañeda Ávila, por su tiempo y sugerencias en la revisión de la tesis de doctorado.
Al personal de CIMAV por su siempre amable trato y facilidades para lograr la elaboración de este trabajo.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología CONACYT por el apoyo económica sin el cual no hubiera sido posible realizar esta investigación.
A todos ustedes
MUCHAS GRACIAS!!!
3
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Listado de Figuras
Figura 1. Corrosión del acero de refuerzo
Figura 2. Tipos de corrosión.
Figura 3. Ventajas al diseñar una estructura por durabilidad.
Figura 4. Estructura de concreto reforzado, con problemas de corrosión.
Figura 5. Serie de Potenciales de Oxidación de Algunas Aleaciones en la
Industria.
Figura 6. Diagramas de Equilibrio Potencial – pH para el sistema Fe-H2O, a 25oC .
Figura 7. Diseño de celda de corrosión para Ruido Electroquímico
Figura 8. Ruido Electroquímico del acero de refuerzo en Cloruro de Sodio (NaCl)
Figura 9. a) Imagen general de la microsílice (sin densificar), b) Esferas de
microsílice.
Figura 10. Prueba de revenimiento
Figura 11. Buena trabajabilidad en la prueba del revenimiento.
Figura 12. Varilla de acero corrugado
Figura 13. Fabricación de especímenes de ensayo.
Figura 14. Especímenes cabeceados para ensayos de compresión.
Figura 15. Probeta de concreto sin microsílice sometida a prueba de resistencia
Mecánica.
Figura 16. Potensiostato Gill8 (ACM Instruments).
Figura 17. Pantalla de configuración de la prueba de ruido electroquímico.
Figura 18. Probeta de concreto después hacer las perforaciones y recolección de
polvo del concreto para elaborar las pruebas para la determinación de cloruros.
4
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Figura 22. Esquema General de Mediciones de Potenciales de Corrosión.
Figura 24. Elemento de acero de Refuerzo (CS).
Figura 25. Elemento de acero de Refuerzo (CC).
Figura 26. Elemento de acero de Refuerzo (SS).
Figura 27. Elemento de acero de Refuerzo (SC).
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M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Listado de Gráficas
Gráfica 1. Valores de resistencia a la compresión de los elementos de concreto
simple y con microsílice.
Gráfica 2. Potenciales de corrosión de media celda.
Gráfica 3. Velocidad de corrosión obtenida por RPL.
Gráfica 4. Valores de Resistencia de (LPR) para los especímenes en estudio.
Gráfica 5. Series de tiempo de ruido electroquímico para espécimen CS.
Gráfica 6. Series de tiempo de ruido electroquímico para espécimen CC.
Gráfica 7. Series de tiempo de ruido electroquímico para espécimen SS.
Gráfica 8. Series de tiempo de ruido electroquímico para espécimen SC.
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M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Listado de Tablas
Tabla 1. Factores relacionados con el proceso de corrosión.
Tabla 2. Zonas predominantes en un diagrama de Pourbaix.
Tabla 3. Clasificación del ruido electroquímico, Malo1
Tabla 4. Clasificación del ruido electroquímico en función de la morfología.
Tabla 5. Requerimientos químicos del microsílice.
Tabla 6. Proporcionamiento de la mezcla de concreto sin microsilice.
Tabla 7. Proporcionamiento de la mezcla de concreto con microsilice
Tabla 8. Nomenclatura de los especímenes en estudio.
Tabla 9. Interpretación de resultados de los potenciales de corrosión.
Tabla 10. Resultados RPL, semana 15.
Tabla 11. Resultados RPL, semana 23.
Tabla 12. Resultados RPL, semana 28
Tabla 13. Resultados RPL, semana 30.
Tabla 14. Resultados RPL, semana 36.
Tabla 15. Resultados RPL, semana 43.
Tabla 16 Resultados RPL, semana 51.
Tabla 17 Resultados RPL, semana 56.
Tabla 18. Resultados RPL, semana 63.
Tabla 19 Resultados RPL, semana 70.
Tabla 20. Resultados RPL, semana 78.
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M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Tabla 21. Resultados RPL, semana 93.
Tabla 22. Resultados RPL, semana 112.
Tabla 23. Criterio de Evaluación del nivel de corrosión.
Tabla 24. Parámetros Electroquímicos de Ruido Electroquímico
Tabla 25. Parámetros Electroquímicos de RPL y Ruido Electroquímico.
Tabla 26. Interpretación del índice de localización.
Tabla 27. Resultados del Índice de Localización para las formulaciones de
Concretos en estudio.
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M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
INTRODUCCION
ANTECEDENTES.
Como ingenieros debemos elaborar estructuras y/o productos durables que
al final de cuentas estén diseñados con materiales que nos permitan que estos a
pesar de estar sujetos a esfuerzos y expuestos a las condiciones de trabajo
permanezcan con las cualidades para las cuales fueron creadas. En lo general
tenemos cinco grandes ramas de los materiales: Metales, cerámicos y vidrios,
polímeros, compuestos y semiconductores2. Es el caso de las estructuras de
concreto reforzado que utiliza metal para el refuerzo del concreto que a su vez es
un composite o compuesto de agregados3. Las primeras observaciones de
corrosión del acero embebido en el concreto fueron hechas a principios de este
siglo, principalmente en ambientes marinos y plantas químicas, sin embargo es
hasta mediados de este siglo cuando se inicia el estudio sistemático de este
problema, habiendo llegado a ocupar un lugar muy importante dentro de las
investigaciones sobre corrosión a nivel mundial, por los problemas y tipos de
estructuras involucrados.
La corrosión electroquímica del concreto reforzado (del latín corrodere =
corroer, destruir), se conocen los daños y desperfectos causados en el concreto
por la acción agresiva de fluidos, gases húmedos, medio ambiente, etc. La
corrosión o deterioro del concreto en sí presenta características químicas, de
química coloidal, y de físico – química, mientras que la corrosión del concreto
reforzado es principalmente de carácter electroquímico4.
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M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
La ausencia de ciertos factores y agentes agresivos proporcionan al acero
de refuerzo, embebido en el concreto, un ambiente ideal para prevenir la corrosión
de dicho acero, la calidad del concreto, colocado, compactado, y curado
adecuadamente, proporcionan una alcalinidad alta y baja permeabilidad,
protegiendo al acero de refuerzo. Sin embargo la entrada de humedad, electrolitos
y oxígeno por difusión o mediante fisuras en el concreto, pueden destruir el medio
pasivo existente. Entre los electrolitos, el cloruro de sodio parece ser el agente que
más ataca al acero.
Los concretos pueden presentar un grado de protección que es, con
frecuencia, una función de la calidad, espesor del recubrimiento y la continuidad
de buenas prácticas constructivas. Sin embargo a pesar de la protección contra la
corrosión que usualmente proporciona el concreto, se ha reportado un número
desconcertante de casos de corrosión de aceros inmersos en el concreto. Esto
sucede cuando están presentes cloruros u otros iones agresivos que inician la
corrosión. La presencia de estos agentes agresivos puede provenir en algunas
ocasiones de los mismos componentes del concreto, como son algunos
acelerantes de fraguado que contienen por lo general productos corrosivos (por lo
que en concretos armados se deben extremar precauciones), el agua adicionada
al concreto en su fabricación, puede contener gran cantidad de cloruros. Otra
forma de atacar al acero es mediante el ambiente externo difundiéndose a través
del concreto, atacando el metal y produciendo óxidos con volumen mayor que el
metal original, produciendo con esto, grandes presiones internas suficientes para
fracturar el concreto5,6, lo que agudiza el problema por permitir ya sea más o más
rápido el acceso de agentes nocivos.
Los métodos de control y protección de corrosión se basan en eliminar
alguno de los cuatro elementos que conforman el sistema que inicia el proceso de
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M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
corrosión (ánodo, cátodo, conductor iónico, conductor electrónico), conocido
también como Celda de Corrosión7.
Diversos métodos se han utilizado para proteger al concreto armado de la
corrosión, comenzando por la calidad de los constituyentes de la mezcla
(controlando las propiedades físico-químicas). Indirectamente se puede minimizar
la corrosión con pinturas, revestimientos del acero y recubrimientos sobre el
concreto, con protección catódica, agregando inhibidores de corrosión,
removiendo los iones cloruro8,9, y re alcalinizando el concreto10. Estos dos últimos
métodos se encuentran en período de investigación
En estructuras nuevas, el uso de un buen concreto, libre de sustancias
nocivas e impermeable sería la mejor solución, ya que no existe mejor protección
del refuerzo de acero que la película pasivante formada por la hidratación del
cemento. Sin embargo, con el paso del tiempo es inevitable el deterioro del
concreto, formándose grietas por las que se infiltran contaminantes que provocan
el deterioro del material, lo cual se manifiesta con la aparición de manchas de
corrosión en la estructura.
Figura 1. Corrosión del acero de refuerzo®
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M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Las principales causas de la corrosión son las siguientes:
a) Disponibilidad de oxígeno. Como se vio anteriormente, éste es uno de los factores
que más influyen en la corrosión; sin embargo, no existe mucha información sobre
sus efectos en el concreto.
En estudios realizados se indica que la difusión del oxígeno está muy
influenciada por el grado de saturación del concreto. En concreto húmedo, el
oxígeno disuelto se difundirá principalmente como una solución; mientras que en un
concreto parcialmente seco el oxígeno gaseoso se difundirá más rápidamente. Para
que los iones ferrosos y el oxígeno se combinen, este último debe encontrarse
disuelto.
Pocas veces se ha observado corrosión del acero en estructuras de concreto
continuamente sumergidas, incluso en agua marina, esto se debe a lo siguiente11:
1. Se mantiene una alta alcalinidad (pH elevado);
2. Se tiene un reducido suministro de oxígeno; y
3. Hay una menor velocidad de difusión del oxígeno a través del concreto
saturado.
b) Iones cloruro (Cl-). Este es el contaminante que causa mayores daños por
corrosión. Su intrusión en el concreto reforzado puede provocar la oxidación si al
mismo tiempo hay oxígeno y humedad presentes. Los cloruros pueden penetrar el
concreto de diversas maneras: ya sea intencionalmente, para acelerar la hidratación
del cemento Portland; o accidentalmente, como contaminantes en los agregados, o
por penetración de sales descongelantes, desechos industriales, y niebla o brisa
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M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
marina. Además, pueden introducirse a través de grietas y otros defectos de la
estructura.
c) Agua marina. Por lo dicho anteriormente sobre los efectos dañinos de los cloruros
en disminuir la estabilidad de la película protectora presente en el acero, es evidente
que el concreto reforzado expuesto al agua o al rocío marino presenta un problema
especial. La seria naturaleza de este problema se evidencia por las muchas
estructuras costeras dañadas por la corrosión del refuerzo.
d) Alcalinidad (pH). A mayor pH, el grado de corrosión es menor ya que ningún
concreto o acero es durable en un ambiente ácido. Como los concretos tienen un pH
mayor de 12.50, usualmente le proporcionan al acero una excelente protección. Sólo
cuando hay presencia de sales o carbonatación, el refuerzo se vuelve vulnerable por
la disminución en la alcalinidad. Según Pourbaix, cuando el pH se encuentra entre
13.0 y 18.0, el metal se halla en estado “pasivo” lo cual impide el desarrollo de la
corrosión. Sólo cuando el pH alrededor de la varilla está por debajo de 9.0, se puede
iniciar la corrosión.
e) Ambiente físico del concreto. Otro factor para que se presente la corrosión
consiste en que se creen diferencias en el potencial electroquímico del sistema,
como las que se presentan en el metal. Estas diferencias de potencial o voltajes
también pueden darse en el concreto, ya sea por diferencias de su calidad o por las
condiciones ambientales o de esfuerzos a que pueden estar sometidas dos partes
de la estructura, siendo relativamente anódicas aquellas partes de la estructura que
estén o hayan estado sometidas a grandes esfuerzos12.
f) Grietas debidas a los esfuerzos actuantes. La aparición de grietas en la estructura
facilita la corrosión al permitir la intrusión de sales y de humedad de una manera más
rápida. Además, el refuerzo interceptado por una grieta empieza a corroerse debido
13
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
a una pérdida de pasividad causada por el debilitamiento en la unión entre concreto
y acero. Por otro lado, pequeñas imperfecciones debidas a la corrosión pueden
causar una seria pérdida de resistencia a la tensión en el acero de refuerzo.
El concreto reforzado con varilla de acero es uno de los materiales de
construcción más ampliamente sin embargo las estructuras que lo emplean tienen
el inconveniente de ser susceptibles a la corrosión debido a la perdida de
protección natural ofrecida a la armadura por el recubrimiento del concreto. La
corrosión en puentes, particularmente en ambientes marinos, es un problema
grave que ha venido afectando al mundo, ya que se pueden presentar
manifestaciones patológicas de significativa intensidad, lo que lleva a elevados
costos de reparación de la estructura, posible reducción de su capacidad
resistente a las cargas de servicio, falta de estética y dependiendo del grado de
daño, podría verse afectada la seguridad de las personas13.
En los países industrializados, las pérdidas económicas causadas por la
corrosión son elevadísimas, en Estados unidos el costo directo por corrosión se
estimo en 276 mil millones de dólares por año, lo que representa el 3.1 por ciento
del producto interno bruto (PIB) de dicho país14,15.
No obstante, a pesar de los grandes avances tecnológicos mundiales, el
problema de la corrosión sigue sin ser entendido completamente, debido
principalmente a la complejidad del proceso, esta representa el pago que el
hombre asume al transformar minerales en metales útiles para su uso cotidiano.
La varilla de refuerzo, al ser fabricadas de acero, no escapa a este
fenómeno debido a que es un material muy susceptible a oxidarse.
La degradación de las estructuras de concreto armado presenta un gran
reto en cuanto al diseño y a la conservación de un número muy importante de
estructuras que operan en el país, este problema se agudiza en zonas donde se
14
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
tienen ambientes agresivos, tal es el caso de las zonas marinas o lugares donde
los contaminantes atmosféricos como el dióxido de carbono abundan.
Figura 2. Tipos de corrosion®
Ante tal problemática ha sido necesario el desarrollo de sistemas de
protección contra la corrosión para alargar la vida útil de dichos materiales y las
estructuras a las que pertenecen sobretodo en el caso particular del concreto con
acero de refuerzo, y el analizar la vida útil de las estructuras bajo dichas
condiciones, esto se realiza en ocasiones por métodos experimentales y otros
combinación de experimentación y modelación16 17 18.
15
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Las estructuras de concreto reforzado no escapan a este desarrollo, por lo
que se han ideado técnicas y procedimientos que permiten incrementar la vida útil,
ya sea mediante el diseño adecuado de una estructura o mediante la reparación
de la misma, en lo referente a este último tema se está aun en la búsqueda de
mejores materiales de reparación y no tener que volver a arreglar sitios ya
reparados con anterioridad19.
Actualmente la gran mayoría de las investigaciones del cemento han
estado encaminadas hacia dos direcciones; en primer lugar a tratar de mejorar sus
características desarrollando cementos de alto desempeño, es decir; en mejorar la
resistencia a la compresión y que las estructuras no se degraden con el tiempo
(durabilidad) por ninguno de los ataques a las que son sometidas cotidianamente
(sulfatos, ácidos y cloruros). En segundo lugar hacia la protección del medio
ambiente, dado que la producción de cemento contribuye en forma notable a las
emisiones de gases nocivos al ambiente principalmente Dióxido de Carbono
(CO2).
En los últimos veinte años el término “durabilidad” se ha estado escuchando
con más frecuencia en la rama de la ingeniería civil. Países industrializados como
los Estados Unidos, Japón y algunos en Europa (España, Francia, Gran Bretaña,
etc.), han tomado a la durabilidad como un tema de gran importancia, invirtiendo
sumas millonarias en estudios de investigación específicos20.
El concepto de vida útil en las estructuras es un tema que ha venido
ganando importancia dentro del diseño y del campo del proceso constructivo; la
vida útil es el periodo de tiempo necesario para alcanzar un determinado nivel de
deterioro en una construcción.
Existen dos tipo de vida útil: la del proyecto (lo que se espera de la
construcción según lo diseñado) y la de construcción (lo que se logra con lo
realmente construido). La primera se define como el tiempo o vida de diseño
16
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
prevista por el diseñador, para el cual ni el tipo de agresión, ni la profundidad
alcanzada por el agresor, ni la cuantía de este agresor en el concreto serán
suficientes para dar inicio al deterioro de concreto reforzado. La vida útil del
proyecto coincide con la fase de iniciación del ataque del medio agresor contra la
estructura; durante esta fase alguna barrera protectora es vencida por el agresor,
no obstante, no se ha debilitado aun la estructura ni los materiales que la
componen.
La vida útil de servicio se define como el periodo que inicia desde la
ejecución de la estructura hasta que se completa un nivel evidente de deterioro.
En esta etapa se empiezan a evidenciar síntomas de deterioro tales como fisuras,
desprendimiento del recubrimiento, herrumbre, entre otros21.
La experiencia ha demostrado que el costo por no considerar la durabilidad
es mayor al que se invierte si se le considera. Es por ello importante diseñar obras
durables, a continuación se muestran las figura 3 en las cuales se puede observar
esquemáticamente las ventajas del diseño por durabilidad.
Figura 3. Ventajas al diseñar una estructura por durabilidad.®
17
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
En 1950 se comenzaron a estudiar las adiciones al cemento y sus ventajas
en cuanto a resistencia, durabilidad, precios y protección del medio ambiente han
sido demostradas indiscutiblemente22. Las adiciones mejoran el desempeño del
cemento, porque densifican la matriz, disminuyendo la porosidad y aumentando la
resistencia al ataque por penetración de agentes agresores (ácidos, sulfatos y
cloruros, entre otros) con mejorías notables de la durabilidad, generando a su vez
morteros y concretos de altas resistencias.
Las adiciones al cemento pueden ser o no puzolánicas, pues estas tienen la
capacidad de fijar la cal libre en forma de hidróxido de calcio (CaOH2), conocido
como portlandita y producir silicatos cálcicos hidratados (C-S-H), densificando la
matriz y aumentando las resistencias mecánicas y la durabilidad.
Las cuatro principales características que controlan la puzolanicidad de un
material son:
Composición (que sea sílice o sílico aluminoso),
Textura (en cuanto a la porosidad y el área superficial),
Estructura (sea amorfa o cristalina) y
Estabilidad química o reactividad.
Mientras más estable químicamente sea una partícula es menos reactiva. El
área superficial depende del tamaño y la porosidad, a mayor porosidad mayor
área superficial23 24.
Las puzolanas se pueden dividir en naturales o artificiales, como se
describe a continuación:
1. Naturales: Cenizas volcánicas, tobas volcánicas, zeolitas, diatomitas
(rocas sedimentarias de muy baja densidad) y radiolaritas (esqueletos
de animales).
18
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
2. Artificiales: Cenizas volantes (fly ash), humo de sílice (silica fume – SF),
cenizas de cascarilla de arroz, metacaolín, escorias de alto horno, y
nano partículas.
En la actualidad las adiciones que han sido utilizadas con el propósito de
inhibir la corrosión en estructuras de concreto son la ceniza volante, humo de
sílice y escoria granulada de alto horno.
De lo anterior se desprende la hipótesis y objetivos del presente trabajo de
investigación:
Hipótesis
a) Una vez iniciada la incursion de iones cloruros en el concreto de los
espécimes y estos lleguen al acero de refuerzo del concreto se activara el
fenómeno de corrosion, lo que se espera es que al agregar microsilice y con ello
obtener concretos mas densos esto retrace el desarrollo de corrosión.
b) Otro interes es saber si el hecho de introducir el acero de refuerzo con
cierto grado de corrosion es dañiño ya que se presume que la alcalinidad del
concreto debe protegerlo, pero interesa conocer de que manera es afectado por
las condiciones a las que se someteran los especimenes en este trabajo.
Objetivos
Caracterizar la corrosion del concreto con acero de refuerzo adicionando
Microsilicie. La determinacion de la velocidad de corrosión se realizara por
tecnicas electroquimicas.
19
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Determinar la influencia de microsilises integrados al diseño de la mezcla
del concreto
Evaluar la corrosión del acero de refuerzo en el desarrollo de corrosión y
evaluar los tipos de corrosion que se presenten.
Para alcanzar estos objetivos se establece el desarrollo de tres capítulos,
describiéndose a continuación.
En el capítulo 1 se plantean los principios de corrosión, el mecanismo de la
corrosión en estructuras de concreto reforzado y las técnicas de medición.
En la metodología experimental, capitulo 2, se presentan los detalles de
fabricación de especímenes, con los diferentes arreglos para este estudio, también
se detallan los materiales utilizados, equipos de medición de corrosión necesarios,
y parámetros experimentales para llevar a cabo esta investigación.
En el capítulo 3 se encuentran los resultados y el análisis de los mismos,
presentando las gráficas de potencial de corrosión como función del tiempo de
medición, así mismo se presentan los resultados de la técnica de resistencia a la
polarización y las graficas de ruido electroquímico (series de tiempo de ruido en
corriente y potencial) que se obtuvieron del monitoreo.
20
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Por último se presentan las conclusiones respecto al comportamiento de las
vigas embebidas en los diferentes medios corrosivos, empleando la técnica de
ruido electroquímico. Para finalizar este documento se tienen las referencias
bibliográficas y los apéndices de resultados de esta investigación.
21
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
CAPITULO 1.
Fundamentos de Corrosion en Concreto
1.2. Corrosión en Estructuras de Concreto
El sistema acero – concreto, resulta ser una celda de corrosión que se
constituye con el acero de refuerzo actuando como ánodo y cátodo, y el concreto
más el medio ambiente actúan como electrolito.
Los procesos de corrosión de refuerzos metálicos embebidos en concreto
son de naturaleza muy compleja, aún en los casos más simples. El proceso de
corrosión está influenciado por numerosos factores que dependen de la
composición química del concreto, la metalurgia del refuerzo, la mecánica del
sistema, el ambiente, el uso de aditivos, etc. (ver Tabla 1)
a Costo de la corrosión en los Estados Unidos:
http://www.corrosioncost.com/home.html
22
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Factores
dependientes del
concreto
Factores dependientes
del refuerzo metálico
Factores dependientes del
medio de servicio
Permeabilidad
Porosidad
Recubrimientos
Tipos de
cementos
Agregados
Aditivos
Puesta en obra.
Naturaleza física y
química del refuerzo
Condición superficial
del refuerzo (óxido
superficial,
recubrimientos, etc.)
Solicitaciones
mecánicas (tensión,
compresión y torsión).
Humedad relativa
Temperatura
Degradación biológica
Acción de diversas
sustancias (Cl-, O2, SO4,
SO2 y CO2)
Corrientes parásitas
Protección catódica.
Tabla 1. Factores relacionados con el proceso de corrosión25.
El concreto puede no ser capaz de proporcionar la protección requerida a
los materiales embebidos en él, de acuerdo con las siguientes condiciones:
Presencia de agrietamientos. Comúnmente se cree necesario que existan
agrietamientos para que la corrosión produzca daños extensos, lo cual es
equívoco. El acero de refuerzo puede presentar corrosión aún en concreto no
agrietado, si éste se encuentra bajo condiciones de exposición severa y si el
material que cubre al acero de refuerzo es insuficiente.
El agrietamiento que se extiende hacia dentro desde la superficie del
concreto contribuye a la corrosión, ya que puede proporcionar entrada a la
humedad, al aire y a diversos contaminantes.
23
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Las grietas estrechas perpendiculares a la dirección del material embebido,
por lo general, no producen corrosión seria, excepto en condiciones de exposición
severa, debido a que la corrosión es superficial y poco extensa. Las grietas más
anchas, y en especial si son paralelas al material embebido en el concreto,
pueden facilitar un mayor acceso a las sustancias corrosivas y así acelerar los
ataques contribuyendo a otras formas de corrosión.
Carbonatación. El cemento Portland está sujeto a reacciones químicas
producidas por el bióxido de carbono de la atmósfera. Dicha reacción, llamada
carbonatación, aumenta la contracción del concreto al secarse, y, por
consiguiente, la propensión del concreto a agrietarse. La carbonatación también
reduce la alcalinidad del concreto, reduciendo su eficiencia como medio protector.
En el concreto de buena calidad, que haya sido adecuadamente
compactado y curado, la carbonatación no penetra con profundidad, sólo en el
concreto permeable o poroso, o cuando el refuerzo está relativamente cerca de la
superficie; la corrosión originada por este motivo puede convertirse en un serio
problema.
Una circunstancia a tener en cuenta es que la corrosión desencadenada por
la carbonatación puede dar lugar a capas de herrumbre con características
protectoras que atenúan la velocidad de corrosión subsiguiente, por lo que la
carbonatación es un fenómeno mucho menos peligroso que la corrosión por
cloruros26.
Fugas de corriente eléctrica. El paso de corriente eléctrica a través del
concreto o del refuerzo utilizado en él, puede originar una rápida y seria corrosión.
24
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Este tipo de corriente es producida frecuentemente por fugas de sistemas
eléctricos, o por no haber dispuesto de un medio positivo y permanente para
conectar los sistemas eléctricos a tierra. Se debe considerar que este tipo de
corrosión siempre puede presentarse en las cercanías de cualquier equipo de
corriente especialmente si en el concreto, o en contacto con él, se encuentra un
electrolito tal como una solución de cloruro de sodio o de calcio.
1.2. Corrosión del Acero de Refuerzo
La corrosión del acero de refuerzo juega un papel muy importante en la
duración del tiempo de servicio de una estructura de concreto. Esta corrosión del
acero de refuerzo en el concreto tiene dos principales consecuencias:
1) Por efecto de la corrosión se reduce la sección de las varillas de acero,
disminuye su adherencia con el concreto y se degradan sus propiedades
mecánicas, con lo cual disminuye su capacidad de trabajo estructural.
2) Como resultado de la corrosión, se originan productos (herrumbre) cuyo
volumen es varias veces superior al de los elementos que les dan origen, y este
aumento de volumen trae como consecuencia tensiones internas que agrietan
progresivamente el recubrimiento del concreto, e incluso lo desprenden
totalmente en situaciones de corrosión avanzada.
Las varillas de acero de refuerzo embebidas en el concreto, suelen recibir de
éste una adecuada protección contra la corrosión electroquímica por dos
conceptos, como a continuación se explica:
25
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
1) Para que se genere la corrosión es indispensable la presencia del electrólito,
es decir, que en los poros del concreto exista humedad, y que además exista
oxígeno para que se produzcan las reacciones químicas inherentes al proceso
electrolítico. La sola falta de uno de estos dos participantes (agua y oxigeno) es
suficiente para inhibir la corrosión, de este modo, el acero de refuerzo no se
corroe sensiblemente si el concreto que lo circunda permanece seco, ni
tampoco si el concreto se halla continuamente inmerso en agua, porque en este
caso no hay suministro de oxigeno.
En condiciones en que hay riesgo de corrosión, la protección del concreto
en este aspecto estriba en que el recubrimiento sobre las varillas impida la
penetración del agua y el aire externos, lo cual a su vez depende del espesor
del recubrimiento y de la permeabilidad del concreto27.
2) En general, el concreto protege bien de la corrosión al acero de refuerzo
aunque estén sometidos frecuentemente a la acción de ambientes
desfavorables. La acción protectora puede atribuirse, a la elevada alcalinidad y
relativamente elevada resistencia eléctrica del concreto. La reacción del agua
existente en los poros es alcalina, debida al hidróxido cálcico liberado en
cantidades considerables. Su pH suele estar comprendido entre 10 y 13,
eliminando así la posibilidad de corrosión del acero. Si el pH de esta agua
desciende hasta valores inferiores a 9 (debido carbonatación, por ejemplo),
puede producirse una corrosión del acero debida a la acción del aire que
penetra en los poros, suponiendo que existan simultáneamente agua y O2 28.
26
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Figura 4. Estructura de concreto reforzado, con problemas de corrosión.
1.3 Principios de Corrosión
El proceso de corrosión, desde el punto de vista electroquímico, siempre
denota la existencia de una zona anódica (susceptible a la corrosión), zona
catódica y de un medio conductor (electrolito), además de un buen conductor o
contacto eléctrico entre ánodo y cátodo. Es imprescindible que existan estos tres
elementos para que se dé el proceso de corrosión. Cuando los metales se
encuentren en ambientes húmedos como: el suelo, la atmósfera, el agua de mar,
las soluciones ácidas, sales fundidas, etc; y en presencia de gases a altas
temperaturas, se dice que la naturaleza de la corrosión resulta ser un proceso
electroquímico.
27
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Desde el siglo XVII, se hicieron las primeras hipótesis acerca de la
naturaleza electroquímica de la corrosión. En el año de 1771, el físico Luigi
Galvani, de origen italiano, publica sus estudios sobre la acción electroquímica en
el proceso de la corrosión, diciendo que la combinación de dos conductores
eléctricos (electrodos) sumergidos en un medio conductor (electrolito), a lo que se
le denomina actualmente Pila Galvánica, convierte la energía química en energía
eléctrica. Cuando se cierra el circuito de una de estas pilas (uniendo ambos polos
con un alambre de baja resistencia), fluye corriente positiva por la unión metálica
desde el electrodo positivo al negativo.
Un año más tarde Frabbroni, relaciona la corrosión con las pilas galvánicas,
idea reforzada por los estudios de Thenard (1819) y De la Rive (1830) entre otros.
Tuvieron que pasar unos 100 años hasta que Evans y Hoar lograsen demostrar,
en 1932, la correlación cuantitativa existente entre las pilas de corrosión y la
magnitud de ésta, dentro del marco de las leyes de Faraday.
1.3.1 Termodinámica de la Corrosión
Para conocer a detalle la velocidad de la termodinámica aplicada a
sistemas corrosivos, es necesario conocer algunos antecedentes. La
termodinámica puede tomar dos caminos: el ámbito químico y el electroquímico29.
Dentro de la química, la termodinámica requiere seleccionar variables
independientes como es la temperatura absoluta (T), la presión aplicada por medio
externo (P), y el número de moles (n). La función termodinámica que relaciona
estas variables es G, designada como la energía libre de Gibbs o entalpía libre30.
28
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Por el otro lado, en el ámbito electroquímico la termodinámica requiere de
otra área de apoyo, debido a que la corrosión no sólo presenta velocidad de
reacciones químicas, sino también reacciones electroquímicas, las cuales
contienen aparte de las sustancias químicas, cargas eléctricas libres bajo la forma
de velocidad (e-).
Dado lo anterior, hablar de la termodinámica de la corrosión es estar
hablando de una reacción de corrosión que puede expresarse parcialmente por
una ionización que sufre el metal (proceso por el cual un átomo metálico pierde
electrones y queda cargado con el equivalente de cargas positivas); dicha entidad
cargada constituye un ion positivo o catión.
neMM n
Donde:
M = metal de valencia n
M+n= forma iónica de M
ne- = número de electrones cedidos
Para conocer la posibilidad de que ocurra una reacción bajo condiciones
reales se tienen que analizar los cambios energéticos asociados a ella, o sea, la
carga energética del metal antes de corroerse y la de los productos de corrosión.
La termodinámica sólo podrá indicar la posibilidad antes mencionada, pero nunca
la velocidad con que se llevará a cabo, ésta se determina por medio de la cinética.
29
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Analizar la tendencia que tienen los metales a corroerse en un medio dado
es otra manera de comprender el estudio de la termodinámica de la corrosión. La
corrosión representa el proceso por el cual un metal es producido a partir de un
mineral, pero en sentido inverso (el cual se encuentra en su forma natural –
óxidos, sulfuros, cloruros, etc.), lo que lleva a la conclusión que entre más rápido
sea el proceso de degradación del metal de su forma natural, mayor será su
tendencia a regresar a esa forma por medio de la corrosión, con mayor o menor
velocidad, dependiendo del medio en que éste se encuentre14.
1.3.2 Potencial del Electrodo.
La tendencia que presentan los metales a corroerse en un medio ambiente
particular involucrado requiere de mediciones de potenciales eléctricos, donde se
puede obtener un listado de metales en un electrolito dado, indicando cuales
metales poseen la mayor tendencia a corroerse. A tal lista se le conoce como
Serie Galvánica, en donde el arreglo de los metales dependerá del electrolito
escogido 31.
Se ha observado que aquellos metales con un potencial más positivo no
sufren corrosión y son los llamados metales nobles, y aquellos con potenciales
más negativos se corroen más rápidamente y se les conoce como metales base.
También se dice que la información que se maneja en la serie galvánica aparenta
ser poco precisa.
30
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Figura 5. Serie de Potenciales de Oxidación de Aleaciones Industriales.
La serie galvánica es obtenida al efectuar mediciones de diferencias de
potencial a circuito abierto, es decir, sin el paso de corriente eléctrica entre los
31
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
metales involucrados, y luego son enlistados en el orden apropiado. La implicación
es que solamente las diferencias en potencial son las que se pueden medir y no
sus valores absolutos de potencial. Esto debido al hecho de que no existe un
método para determinar el valor absoluto del potencial de electrodo. Ante tal
situación se pensó en que sería deseable escoger alguna reacción en equilibrio
como un dato, o como una referencia de potencial cero contra la cual otros
potenciales se pudieran medir o inferir.
El electrodo estándar de hidrógeno se eligió como el electrodo patrón (de
referencia) que asume un valor de potencia igual a 0.000 volts. Básicamente
consiste en una lámina de platino inmersa en una solución ácida de actividad
hidrógeno 1 molar (pH = 0), y sobre la cual se burbujea hidrógeno gaseoso a una
atmósfera de presión32.
2He2H 2
E (Hidrógeno)= 0.00 por definición
La difícil manipulación del electrodo de hidrógeno, demasiado frágil para la
mayoría de las aplicaciones prácticas, han dado lugar a la utilización de otros
electrodos de referencia cuya manipulación y constitución resulta ser más sencilla;
la condición fundamental es que el potencial de equilibrio de la reacción de óxido-
reducción que tenga lugar en ellos permanezca constante respecto al electrodo de
hidrógeno.
A partir de esta convención, es posible medir potenciales estándar de
electrodo de cualquier metal relativo a la reacción de hidrógeno e inducir de esta
manera E0 H; por lo que ahora se podrá tener una lista de metales en equilibrio en
32
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
sus propios iones junto con sus potenciales estándar, obtenidos de tales
mediciones. A esta lista se conoce como Serie Electromotriz33.
1.3.3 Diagramas de Pourbaix (Potencial – pH)
El investigador belga Marcel Pourbaix tuvo la necesidad de obtener el
equilibrio de todas las reacciones posibles entre un metal y el agua, para darse
una mejor idea de la tendencia que poseería el metal ante un conjunto dado de
condiciones de potencial y pH, es decir, con esto sabría si hay tendencia a formar
óxidos o hidróxidos; si tendería a disolverse completamente, o si bajo esas
condiciones, el metal permanecería inalterado34,35.
Afortunadamente no sólo obtuvo los equilibrios, sino que los representó
gráficamente como función del potencial y del pH a través de los diagramas que
hoy llevan su nombre36.
Esos diagramas se elaboran utilizando cálculos electroquímicos, datos de
solubilidad y constantes de equilibrio. Un aspecto importante de esos diagramas
es que muestran una división natural del cuerpo gráfico en tres regiones, las
cuales son clasificadas de acuerdo a su comportamiento corrosivo en: pasividad,
corrosión e inmunidad.
Pasividad.
Zona que representa al metal cuando posee películas
oxidadas o de hidróxidos sobre su superficie, que inhiben la
corrosión.
Corrosión. Región donde el metal se disuelve activamente, siendo los
productos de corrosión solubles.
Inmunidad.
En esta zona el metal se encuentra perfectamente preservado
y estable bajo ciertas condiciones muy especiales de
potencial y pH.
Tabla 2. Zonas predominantes en un diagrama de Pourbaix.
33
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Es necesario recordar que el pH es simplemente el logaritmo de la
concentración de iones hidrógeno, de tal manera que un pH de 7 indica que se
tienen 10-7 iones gramo de hidrógeno por litro de solución, y corresponde a una
solución neutra, mientras que en pH=0 representa una solución muy ácida y un
pH=14 es una solución muy alcalina35.
En el diagrama de Pourbaix para el sistema Fe-H20, la región de inmunidad
en la figura, indica que el hierro no se corroe bajo estas condiciones de potencial y
pH, es decir, si el potencial de corrosión del hierro se hace suficientemente
negativo, por ejemplo, a -1.4 volts el hierro no se corroerá en ningún sistema que
varíe desde pH muy ácido hasta pH muy básico, ver figura 5.
Figura 6. Diagramas de Equilibrio Potencial – pH para el sistema Fe-H2O, a 25oC
37.
34
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Entre los principales usos de los diagramas de Pourbaix se encuentran los
siguientes:
Predecir si hay o no corrosión,
Estimar la velocidad de desarrollo de los productos de la corrosión,
Pronosticar cambios del medio ambiente que ayuden a prevenir o reducir el
ataque corrosivo.
Es importante señalar que los diagramas de Pourbaix sólo ofrecen una
termodinámica del sistema metal – solución, indicando el estado final al que tiende
el sistema, pero no proporciona la velocidad con que se llega a tal estado.
1.4 Métodos de Medición
Desde hace mucho tiempo, el hombre comprendió que la corrosión era una
fuerza natural que atacaba los materiales metálicos que él aprendió a arrancarle a
la naturaleza desde su forma natural (óxidos, sulfuros, etc.) y llevados a su estado
metálico. Así, desde que el hombre se dio cuenta de los daños económicos de
esta “venganza de la naturaleza”, se dio a la tarea de inventar y mejorar métodos
de protección contra la corrosión. Pero para eso fueron necesarios dos desarrollos
científico-tecnológicos muy importantes38.
Descubrir el mecanismo por el que ocurría la corrosión
Idear métodos eficientes para evaluar la velocidad de corrosión y que fueran lo
más prácticos posible.
Antes de descubrir el mecanismo por el que ocurre la corrosión, el hombre sólo
pudo medir las consecuencias de este proceso, y surgieron métodos gravimétricos
35
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
y analíticos que evaluaron el grado de deterioro de los materiales metálicos,
determinando la cantidad de material que se transformaba y perdía por corrosión,
midiendo las pérdidas de peso, o determinando la cantidad de material que
pasaba a forma iónica en una solución corrosiva.
En 1905 Tafel39 descubrió una relación empírica entre y la IT con lo que se
empezó a correr el telón del mecanismo de la corrosión, pero no fue sino hasta
1938 cuando Wagner y Traud39 sentaron las bases de la teoría del potencial mixto,
la cual postula que aun sin asumir la existencia de ánodos y cátodos locales, se
pueden explicar las reacciones de corrosión si se asume que las reacciones
parciales de oxidación y reducción ocurren en la interfase metal/electrolito y que
estas reacciones están en constante cambio bajo una perspectiva estadística de
posición tiempo.
Wagner y Traud40 también mostraron que, en ciertas circunstancias, es posible
calcular la velocidad de reacción usando métodos electroquímicos, y obtuvieron
buenas correlaciones de velocidad de corrosión a través de curvas de polarización
usando lo que ahora se llama “Extrapolación de Tafel”. Estos resultados
experimentales fueron considerados una evidencia de los postulados generales de
la teoría del potencial mixto, y finalmente se aceptó que el mecanismo por el que
ocurre la corrosión es de naturaleza electroquímica.
Más tarde, algunos autores encontraron cierta relación entre la pendiente de la
curva de polarización en el potencial mixto y la velocidad de corrosión. Pero no
fue sino hasta 1957, cuando Stern y Geary41, basados en las teorías de la cinética
electroquímica y en la teoría del potencial mixto, derivaron una ecuación que
relaciona la pendiente de la curva de polarización en la vecindad del potencial de
corrosión, dando origen así al método de resistencia de polarización, usado para
el cálculo y monitoreo de la velocidad de corrosión en casi cualquier sistema
metal/electrolito.
36
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
1.4.1. Potenciales de Corrosión
Las medidas de potencial pueden desarrollar un papel fundamental para
controlar y prevenir el inicio de formas de corrosión localizadas, generalmente
para la integridad de las instalaciones. El monitoreo de potencial resulta ser una
técnica termodinámica en la cual se relaciona el estado de corrosión y el potencial
de corrosión de un metal, como una medida de inicio o de la severidad de
corrosión. En el estado pasivo se refleja un potencial de corrosión noble
(velocidad de corrosión baja), y en el estado activo para el mismo material refleja
un potencial de corrosión menos noble (velocidad de corrosión alta).
Consecuentemente el potencial puede ser monitoreado para mostrar si el material
se corroe lenta o rápidamente42.
El potencial de electrodo de un metal en presencia de un electrolito es el
potencial de aquél con respecto a un electrodo de referencia, el cual resulta ser
demasiado estable, no presenta variaciones con respecto a la temperatura, ni
siquiera se polariza con el paso de corrientes débiles, y además sus propiedades
no cambian con el tiempo. A pesar de su importancia las mediciones de potencial
han encontrado hasta hoy aplicaciones limitadas principalmente por dos motivos:
Pueden ser seguidas sólo en presencia de un electrólito
Su interpretación requiere una experiencia particular y especialización.
Este método proporciona un valioso respaldo a técnicas como la resistencia de
polarización, y resulta ser muy útil por si sólo, aun cuando no proporciona una
medida directa de la velocidad de corrosión o de la corrosión total. La información
37
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
obtenida mediante este método puede ser difícil o imposible de obtener por otros
métodos43.
1.4.2 Velocidad de Corrosión
Existen dos métodos para determinar la velocidad de corrosión por técnicas
de corriente directa: Extrapolación de Tafel y Resistencia a la Polarización.
Partiendo de la ecuación de Butler – Volmer44,45 que describe la cinética de los
fenómenos electroquímicos, para potenciales de corrosión suficientemente
alejados de los potenciales reversibles de las reacciones acopladas anódica y
catódica, se obtiene la relación entre el potencial y la corriente46,47:
ccorracorrcorr BE-E2.303-exp-BE-E2.303 expii //
donde: Ba y Bc= Pendientes anódica y catódica de Tafel
Icorr = Densidad de corriente de corrosión
Ecorr = Potencial de corrosión
1.4.3 Ruido Electroquímico
Ruido electroquímico se le denomina a las variaciones aleatorias del potencial
o de la corriente de un material sujeto a corrosión. Con este método no se altera el
estado del sistema en estudio, ya que no se aplica ninguna perturbación externa
para realizar las mediciones. El concepto de ruido electroquímico es un
comportamiento inversamente proporcional al intervalo de frecuencia, a menor
frecuencia mayor intensidad.
38
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Ruido es un término común que significa sonido no deseado, en términos
científicos es aquello que no puede ser explicado con relación a la variabilidad de las
mediciones obtenidas en un experimento. Sin embargo, esto no quiere decir que no
contenga información.
El Ruido Electroquímico en potencial se define como las oscilaciones del
potencial electroquímico de un electrodo respecto a un electrodo de referencia,
mientras que el Ruido Electroquímico en corriente es la oscilación de una corriente
electroquímica. La medición del Ruido Electroquímico es relativamente simple,
aunque lo más importante es la obtención de la información relevante que puede ser
en muchos casos más problemática48. El primero en monitorear simultáneamente
señales de ruido electroquímico de potencial y de corriente fue Eden en 198449,50.
El ruido electroquímico en corrosión51,52 y en estudios electroquímicos53,54 fue
reportado en los finales de los 1960´s e inicios de los 1970´s pero fue esta la
primeras publicaciones de finales 1970´s y principios 1980´s que ha habido un
enorme interés en el tema55,56.
V
A
Electrodo de
Referencia
Electrodo de
Trabajo 2
Electrodo de
Trabajo 1
Amperímetro de
Resistencia Cero
Figura 7. Diseño de celda de corrosión para Ruido Electroquímico
39
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Uruchurtu Ch. En 198457 menciona que “el ruido electroquímico parece
reflejar la suma individual de los eventos aleatorios, y el valor cuadrado medio (raíz
cuadrática r.m.s.) de estos eventos o señales se ha visto que provee la huella
dactilar de la cantidad de metal disuelto, dependiendo de la relación metal-medio
ambiente”.
La señal de ruido es de baja frecuencia y se requiere de equipo digital muy
sensible para registrar la señal obtenida. El intervalo de muestreo debe
seleccionarse con mucho cuidado, ya que pueden presentarse dos fenómenos:
muestreo rápido, que origina resultados erróneos a bajas frecuencias; y muestreo
lento, que origina que las componentes de alta frecuencia no se resuelvan en el
dominio de la frecuencia.
La frecuencia de Nyquist es el límite de alta frecuencia que se obtiene en el
espectro, cuya relación está dada por:
fmáx= 1 / 2Dt
La resolución en baja frecuencia está dada por:
fmín = 1 / N Dt
donde:
N = número de muestras
Dt = intervalo de muestreo
También se hace un análisis del ruido electroquímico que provee una
evaluación cualitativa acerca del proceso de corrosión, y con ello se determina un
número posible de factores que describen el comportamiento del sistema. Para
40
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
analizar el espectro se utilizan dos métodos: se gráfica el logaritmo del análisis
contra el logaritmo de la frecuencia, utilizando la transformada rápida de Fourier
(FFT), y el método de máxima entropía (MEM) que maximiza la señal y no supone
los registros de tiempo periódicos. Obteniéndose valores muy similares con ambos
métodos58.
Las variaciones del potencial se explican en términos de un sistema en
proceso de corrosión. En un material pasivo el potencial se mantiene constante,
cualquier inicio de corrosión localizada ocasionará cambios intermitentes del
potencial, caída seguida de una recuperación exponencial. Conforme el medio sea
más agresivo y el sistema entre en un proceso de corrosión localizada, los
transitorios serán más frecuentes.
Hladky y colaboradores59 publicaron los resultados de las mejoras realizadas en la
técnica de medición e interpretación de datos. Clasificando al ruido electroquímico en
base a distintas respuestas durante el análisis de los datos, ver tabla 3.
Ruido Blanco. Ruido Shot. Ruido de baja frecuencia.
Originado por cambios de
baja frecuencia en el medio
ambiente, se observan
como variaciones lentas
del potencial de corrosión.
Es mayor de 1 Hz, no
depende de la frecuencia y
su precisión mejora con la
raíz cuadrada del tiempo
de muestreo.
Origina cambios de
consecuencias, su forma
de espectro y cantidad de
ruido presente, en una
banda dada de baja
frecuencia, es constante
sobre un intervalo de
frecuencias.
1/f ó rosa, relacionado con
procesos del electrodo,
caracterizado por su gran
heterogeneidad. Grandes cambios
de frecuencia menores o iguales a
1 Hz. La análisis de espectro varía
con la frecuencia y su desviación
es mayor que la originada por los
efectos de carga que la ocasionan
.
Tabla 3. Clasificación del ruido electroquímico, Malo60
41
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Haciendo una clasificación en cuanto a la morfología del fenómeno de
corrosión, de acuerdo a las observaciones realizadas por algunos investigadores, se
tiene que existen los tipos de corrosión indicados en la tabla 4:
Corrosión ligera
o pasivación
Caracterizado por bajas frecuencias y altas amplitudes. Procesos
controlados por análisis, caracterizado por desviación estándar
media (1e-3, 1e-4 volts).
Corrosión localizada
o picado
Caracterizado por altas frecuencias y altas amplitudes. Procesos
transitorios de rompimiento-repasivación, caracterizado por un
aumento en la desviación estándar o valores altos (1e-3, 1e-2).
Corrosión
generalizada
Altas frecuencias y bajas amplitudes. Procesos de transferencia
de carga, caracterizada por una desviación estándar pequeña (1e-
5 o menores).
Tabla 4. Clasificación del ruido electroquímico en función de la morfología.
Las señales del potencial de corrosión, obtenidas en la prueba potenciostática
(EPN, Electrochemical Potential Noise), evidencian el inicio de una picadura; la
amperimetría de resistencia cero y las series del ruido en corriente, obtenidas en la
prueba galvanostática (ECN, Electrochemical Current Noise), predominan durante la
propagación de las picaduras. Las variaciones son procesos estocásticos, que a su
vez son una función de la cinética del electrodo, y en el caso de un sistema de
corrosión, están relacionados con la velocidad de corrosión. Las variaciones del
potencial de corrosión son debidas a las influencias externas casuales unidas con la
naturaleza de la superficie metálica en dimensiones de submicras; estas no pueden
predecirse, pero puede pronosticarse la posibilidad de que ocurran61.
42
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
La técnica de ruido electroquímico es sensible a las fluctuaciones de potencial
causadas por fenómenos de repasivación-depasivación, y es ideal para una
evaluación rápida de la tendencia de un material a la corrosión por picaduras, antes
de que aparezca el primer indicio de que se esté formando alguna62.
La reciente edición de la Norma ASTM G19963 describe los lineamientos
generales de procedimiento para conducir la prueba de ruido, con la instrumentación
recomendada y sugerida para el análisis de resultados.
Los métodos electroquímicos no perturbadores incluyen el uso de
amperímetros de resistencia cero o el análisis de respuesta de pares galvánicos, o
sea, el monitoreo de potenciales de corrosión y las mediciones de ruido
electroquímico.
1.4.3.1 Métodos de Análisis
1.4.3.1.1 Series de tiempo
El método más directo, es el examinar las series de tiempo para la
identificación de detalles que son característicos de los tipos de corrosión
particulares. Por ejemplo, la detección visual de transitorios de rompimiento y
repasivación o de oscilaciones asociadas a hendiduras de corrosión por picadura.
43
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
0 200 400 600 800 1000
-338.0
-337.5
-337.0
-336.5
-336.0
-335.5
-335.0
Tiempo (seg)
Pote
nci
al (
mV
vs
Cu/C
uS
O4)
-1.740
-1.735
-1.730
-1.725
-1.720
-1.715
Corrien
te (mA
/cm2)
Figura 8. Ruido Electroquímico del acero de refuerzo en Cloruro de Sodio (NaCl).
El Ruido Electroquímico producido por algunos sistemas puede mostrar una
estructura más definida en la serie de tiempo. Por ejemplo, la figura 8 representa
el Ruido Electroquímico producido por el acero de refuerzo sometido a una
solución de Cloruro de Sodio (NaCl). En este caso el acero tiende a formar una
capa pasivada debido a la alcalinidad de la solución, pero los cloruros causan
rompimiento localizado de la película pasivante, observándose corrosión por
picadura.
1.4.3.1.2 Métodos Estadísticos
Los métodos estadísticos tratan a la serie de tiempo como una colección de
potenciales o corrientes individuales, ignorando la relación entre un valor y el
siguiente (muestra de la población). La serie de tiempo está definida
completamente por la distribución de sus valores. Las fluctuaciones de la media en
largos períodos de tiempo están directamente relacionados a cambios en los
procesos de corrosión.
44
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
El ruido en corriente teóricamente presentaría un valor de cero entre dos
electrodos idénticos64,65, sin embargo en la práctica las variaciones estadísticas de
los rangos de corrosión muestran que si existen flujo de corriente y se observa
Ruido Electroquímico66,67.
La Rnb es obtenida al dividir la desviación estándar del potencial y la
desviación estándar de la corriente, por analogía de la ley de Ohm. Muchos
trabajos han analizado la relación entre la Rn y la Rp y muchos afirman que las
dos son equivalentes68. La resistencia en ruido (Rn) incorpora fluctuaciones de la
resistencia de la solución, a pesar de que no se aplica una corriente a la celda. Por
lo tanto, se puede obtener en soluciones de alta resistividad.
b Rn: Noise Resistance, Resistencia de Ruido.
45
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
CAPITULO 2.
Metodologia Experimental
2.1 Materiales
Microsilice; es uno de los materiales utilizados en este trabajo que es de
mucha relevancia, el cual según las normas ASTM C-124069, y ACI 23470 es un
material puzolánico muy fino, compuesto principalmente por sílice amorfo,
producido por los hornos de arco eléctrico, como subproducto de la producción de
las aleaciones de ferrosilicio.
Requerimientos químicos para la microsílice ASTM C-1240
SiO2, min, %
Mezcla de otros materiales, máx., %
Pérdida por ignición, máx., %
85.0
3.0
6.0
Tabla 5. Requerimientos químicos del microsilice
Al caracterizar los residuos provenientes de la industria del ferrosilicio, que
eran una fuente de contaminación del aire de manera importante, se determina
que estos poseen un elevado porcentaje de dióxido de sílice SiO2 (más de 90%)
46
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
en forma no cristalina y con un diámetros aproximados de 0.1 micra (ver figura 9),
es decir, 100 veces más fino que el cemento el cual posee una importante
propiedad puzolánica, es decir, reacciona con la cal libre que se forma durante el
proceso de hidratación del cemento portland.
Figura 9. a) Imagen general de la microsílice (sin densificar)71 b) Esferas de
microsílice72.
La microsílice es un material que combina la propiedad puzolánica con una alta
finura y no reacciona con el agua por lo cual resulta un material sumamente
benéfico para la elaboración de concretos densos, algunos datos técnicos de este
material se describen a continuación:
Área superficial de aproximadamente 20,000 m2/kg
El peso específico de la microsílice por lo general se ubica dentro del rango
de 2.10 a 2.25 pero puede llegar a 2.55.
El peso volumétrico sin compactar del humo de sílice es de
aproximadamente 250 a 300 kg/m3
La obtención de este material tan fino fue solucionado instalando plantas
densificadoras a la salida de los filtros, es decir el material es compactado
47
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
densificándolo y haciéndolo más manejable para su transporte y posterior
dosificación.
Numerosas pruebas fueron realizadas para comprobar su desempeño como
adición en el concreto y estas fueron sobrepasadas73.
La microsílice reacciona con la cal libre y da origen a un incremento de la
red cristalina, silicatos, además de que las partículas de microsílice que no
reaccionan sellan los poros existentes debido a su pequeño tamaño.
La consecuencia de todo este proceso es la consecución de un concreto
mas impermeable, bajo contenido de poros por sello y por mayor red cristalina.
Es de hacer notar que por ser la microsílice un fino se requiere del uso de
súper plastificante para lograr un asentamiento adecuado así como una reducción
de agua notable (de un 25 a un 35%).
La adicion de microsilice al concreto permite obtener un concreto poco
poroso, de alta resistencia mecánica y de fácil colocación, disminuyendo de esa
forma el impacto de la colocación y la compactación en el proceso de ejecución
del elemento74, es decir, un concreto durable, ya que debido a su poca porosidad
es muy baja la capacidad de permear líquidos y gases a su interior, o sea un
concreto casi impermeable, aunque para esto sea necesario mezclar la microsílice
como adición al cemento Portland en partes iguales75.
48
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Se elaboraron especimenes de concreto con una altura h=30 cms y un
diámetro d=15cms según las normas ASTM C470-8776 y C192-8177, con un
f´c=250 kg /cm2 y dos elementos de acero al carbono R42, las cuales son varillas
corrugadas de 3/8” (0.95 cm) de diámetro. Estos elementos metálicos sirven como
electrodos.
Las variables utilizadas son un concreto con una relación a/c=0.55 simple
y otro adicionado con microsílice, el cual se espera alargue la vida útil de los
elementos donde se utiliza. La cantidad de micro sílice a agregarse en el diseño
de la mezcla de concreto es el 10% en peso en relación al contenido de cemento
por ser una la media de la recomendación del fabricante del producto. Para la
elaboración del concreto de los especimenes los agregados petreos cumplieron
con las normas de limpieza, tamizado, dureza y todos lo necesario para la
elaboración de un concreto de calidad.
Materiales Peso (Kgs)
Agua 205
Cemento 311
Grava 962
Arena 851.3
Tabla 6. Proporcionamiento de la mezcla de concreto sin microsilice.
49
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
MATERIALES PESO (KGS)
Agua 195
Cemento 298.9
Microsilice 29.9
Grava 942.6
Arena 840.3
Tabla 7. Proporcionamiento de la mezcla de concreto con microsilice
Además se realizaron pruebas de control de calidad al concreto fresco
concretamente de revenimiento, en las figuras siguientes se muestran fotografías
de la elaboración de las muestras y de la prueba de revenimiento para la cual se
utiliza el cono de Abrahams, placa metálica, cuchara de acero, varilla redonda
punta de bala.
Figura 10. Prueba de revenimiento.®
50
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
El procedimiento de la prueba es colocar la placa en el piso y sobre ella
ubicar el cono de Abrahams, lo siguiente es llenar con el concreto una tercera
parte del cono ye introducir la varilla hasta el fondo de cada capa 25 veces
tratando de cubrir toda el área expuesta, esto se realiza tres veces hasta llenar el
cono. Después de llenar el cono se enraza, es decir, se corta con la varilla todo el
concreto que supere la parte superior del cono dejando la misma lo mas
unifórmenle, a continuación se levanta el cono y se mide la diferencia entre el
cono metálico y la formación de concreto fresco resultante, esta medida dada en
centímetros es el Revenimiento y nos da una buena idea de la trabajabilidad del
concreto.
Figura 11. Buena trabajabilidad en la prueba del revenimiento.®
Como se menciono anteriormente se utilizó acero de refuerzo sin corrosión
y otros elementos con cierto grado de corrosión.
Figura 12. Varilla de acero corrugado en condición inicial.®
51
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Para la elaboración de los especímenes de prueba se utilizaron moldes
metálicos de 15 cm de diámetro y 30 cm de altura, los que fueron llenados en tres
capas de aproximadamente un tercio de la altura del molde y siendo compactados
cada capa con 25 golpes utilizando la varilla redonda punta de bala como se
muestran a continuación:
Figura 13. Fabricación de especímenes de ensayo.®
Terminando de colocar el concreto en los molde se procedió a colocar los
elementos metálicos que sirven de electrodos, tanto los libres de corrosión como
los que tenían cierto grado de corrosión.
52
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Dichos elementos se sometieron a un proceso de curado teniendo para ello
una cámara en la cual se controla humedad y temperatura, teniendo unos valores
promedio de humedad del 97.5% y de temperatura de 21 grados Celsius.
2.2 Definición de Variables.
Las variables dentro de este trabajo son el uso de microsílice en la
elaboración del concreto de algunos de los elementos de estudio para obtener
concreto más denso y con ello evitar la entrada de iones cloruros y la difusión de
estos sea más lenta, por lo que la vida útil esperada del acero es mayor ya que no
es atacado por los cloruros tan rápido como en un concreto normal, es decir sin
micro sílice.
Otra variable es el uso de acero de refuerzo ligeramente oxidado en la
mitad de los elementos para ver el efecto del micro sílice en el comportamiento
del concreto y observar si protege al acero oxidado de ser despasivado de alguna
manera.
Por lo tanto se tiene lo siguiente:
Elementos de concreto con f´c = 250 kg/cm2 sin micro sílice (8 cilindros).-
2 cilindros con acero nuevo (para pruebas electroquímicas).
2 cilindros con acero con corrosión (para pruebas electroquímicas).
3 cilindros de concreto sin acero de refuerzo (para pruebas mecánicas).
7,14 y 28 días.
Cilindro de concreto para mediciones de cloruros.
53
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Elementos de concreto con f´c = 250 kg/cm2 con micro sílice (8 cilindros).-
2 cilindros con acero nuevo (para pruebas electroquímicas).
2 cilindros con acero con corrosión (para pruebas electroquímicas).
3 cilindros de concreto sin acero de refuerzo (para pruebas mecánicas).
7,14 y 28 días
Cilindro de concreto para mediciones de cloruros.
2.3 Métodos
Las probetas o cilindros descritos anteriormente fueron sometidos a
diferentes pruebas que se describen a detalle a continuación:
2.3.1 Pruebas Mecánicas.
Algunos de los elementos fueron sometidos a pruebas de compresión
según la norma ASTM C39-0378 para determinar la resistencia a la compresión, es
decir el f´c de la mezcla de los especímenes y ver de qué manera afecta o incluso
si afecta el hecho de agregar micro sílice al concreto.
En esta prueba la probeta se coloca en una prensa hidráulica y se le aplica
una carga axial, con la magnitud de la carga a la cual falla el espécimen se
procede a dividirla entre el área del mismo; esto es para cada uno de los
especímenes con las dos variables: con o sin micro sílice en el diseño de la
mezcla del concreto
.
54
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Este tipo de pruebas se realizan a 7, 14 y 28 días para determinar la
resistencia del concreto a estas edades y poder tener aun una mejor comparativa
de las dos variables.
Para realizar las pruebas de compresión los elementos de concreto deben
ser “cabeceados”, es decir, re nivelar los dos extremos superior e inferior para que
la carga actúe de manera uniforme en dichas áreas, esto se logra fundiendo
azufre y colocándolo sobre unos moldes metálicos donde a su vez se coloca el
cilindro de concreto y el azufre al enfriarse se une y forma parte del cilindro como
se observa en las fotografías siguientes:
Figura 14. Especímenes cabeceados para ensayos de compresión.
Elementos de concretos ya “cabeceados” según la norma NMX-C-109-
ONNCCE79, primero parcialmente y después en ambos extremos listos para
someterlos a pruebas de resistencia a la compresión.
55
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Figura 15. Probeta de concreto sin micro sílice siendo sometida a prueba de
compresión en la prensa universal.
2.3.2 Nomenclatura de las Probetas de Estudio.
Nomenclatura Concreto Con Sílice (10% en
Peso)
Concreto sin Sílice
Acero de Refuerzo con
Corrosión Inicial
Acero de Refuerzo Sin
Corrosión Inicial
CC x x
CS x x
SC x x
SS x x
Tabla 8. Nomenclatura der los especímenes en estudio
56
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
2.3.3 Pruebas Electroquímicas.
Las pruebas realizadas son medición de potenciales de media celda ASTM
C876-9180 y Resistencia a la Polarización Lineal (LPR) ASTM 59-9181, el barrido
será de +/- 20mV y una velocidad de 10mV-min. En la figura 18 se muestra el
aparato a utilizar es el potenciostato - galvanostato Gill 8 (ACM Instruments).
Figura16. Potensiostato/Galvanostato/ZRA Gill 8.
Con la medición de potenciales de media celda se establece la posibilidad
de que el fenómeno de corrosión ocurra y con la prueba de Resistencia a la
Polarización Lineal (LPR por sus siglas en ingles) se mide la cinética de corrosión,
es decir la velocidad con la que se da el proceso) a través de la ecuación de
Stern-Geary82.
Las pruebas se realizaron por un periodo de 835 días, periodo durante el
cual las probetas se sumergirán en una solución acuosa de Cloruro de Sodio NaCl
al 3.5% ya que se ha encontrado que es la solución más agresiva83 para
diferentes aceros. Para dichas pruebas se utilizaron un electrodo de referencia de
(Cu/CuSO4) saturado.
57
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
2.3.4 Potenciales de Media Celda
Las mediciones de media celda ayudan a determinar si se está dando el
fenómeno de corrosión o no, esto dependiendo también de variables como el pH.
Para las mediciones de Media Celda se utiliza el potensiostato Gill 8 y las
pruebas se iniciaron con una frecuencia de una veces por semana pero al ver que
los resultados no variaban notablemente se estuvieron realizando cada dos
semanas y en ocasiones cada 3.
2.3.5 Resistencia a la Polarización Lineal (RPL)
Las mediciones de resistencia a la polarización lineal (LPR por sus siglas
en ingles) se realizaron cada 15 días, y después cada mes utilizando el
potenciostato Gill 8 de la marca ACM.
Una de las ventajas de esta técnica electroquímica es que nos permite
medir no solo la posibilidad de que se esté dando el fenómeno de corrosión sino
también la cinética de corrosión, es decir la velocidad con que se está dando este
fenómeno. Esto sirve para determinar la vida útil del material que se corroe bajo
estas condiciones, además claro de corregir el problema.
2.3.6 Ruido Electroquímico
Entender el origen del ruido electroquímico es el principio para entender la
aplicabilidad de esta técnica. En este sentido, la interfase metal (capa de
productos de corrosión) / electrolito es el punto donde se producen en forma
58
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
continua las señales de ruido electroquímico en forma de pequeñas variaciones
(transitorios) en potencial y corriente, las cuales están relacionadas con los
procesos de transferencia de carga que allí ocurren. Por lo tanto, el fenómeno del
ruido electroquímico no es, bajo ninguna circunstancia, la respuesta a algún tipo
de excitación externa del sistema, sino en realidad una consecuencia inherente a
los procesos electroquímicos involucrados en la corrosión, que ocurre aún cuando
no se esté midiendo84.
La aplicación de la técnica de ruido electroquímico en el ámbito de la
corrosión se puede clasificar en tres campos diferentes: investigación básica de
fenómenos corrosivos, pruebas y evaluación de la corrosión, y monitoreo a nivel
industrial de la misma.
Fenómenos de corrosión localizada, como el picado y la corrosión en rendijas
entre otros, por tratarse de procesos electroquímicos estocásticos relacionados
con la activación y repasivación local en la interface metal (capa pasiva)/ electrolito
representan también una importante fuente de ruido electroquímico85.
Esta técnica electroquímica permite evaluar si está ocurriendo la corrosión,
determinar la cinética de corrosión y qué tipo de corrosión se está dando. Se ha
encontrado que existen muchas y muy variadas fuentes de ruido electroquímico
entre ellas:
1) Evolución de hidrogeno involucrando nucleación, crecimiento y separación
de burbujas86,87,88,89; cambios en la resistencia de la solución y difusión
hacia las micro grietas que se propagan90, y la descarga de metal en la
micro grietas91.
2) Propagación de las grietas de corrosión bajo tensión involucrando
disolución de material o descargas de agua90,92,93.
59
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
3) Inicio de corrosión por picadura, picaduras metaestables, y crecimiento de
estable picaduras94,81,95,96.
4) Corrosión en grietas o hendiduras97,98,99.
5) Compresión mecánica o abrasión100.
6) UNDERFILM corrosión99,101.
7) Sistemas Pasivos102,103,104.
8) Procesos de alta temperatura105,106.
9) Corrosión Microbiológica107,108.
10) Corrosión uniforme109,110.
Para poder realizar la prueba, primeramente se alimenta el software del
equipo con los parámetros a utilizar (figura 17), los cuales se mencionan a
continuación.
1. Velocidad de lectura: 1 punto por segundo
2. Tamaño de muestreo: 1024 puntos
3. Mediciones: Corriente y Voltaje.
.
60
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Figura 17. Pantalla de configuración de la prueba de ruido electroquímico.
2.3.6.1 Análisis de Ruido Electroquímico
El análisis visual de los espectros de ruido electroquímico en función del
tiempo suele ser la forma más sencilla y rápida de obtener información del
sistema y, a través de este, se puede lograr una valoración cualitativa del estado
electroquímico del mismo, lo cual, en la mayoría de los casos, requiere de un
suficiente conocimiento del sistema investigado. Por lo general, se emplean
algunos métodos numéricos que permiten el análisis cuantitativo de dicha
información y, con ello, diferencias en el comportamiento de sistemas específicos
o de un sistema en cuestión bajo diferentes condiciones.
Dentro de dichos métodos, los más sencillos corresponden a la
determinación de parámetros estadísticos, como la desviación estándar. El
cálculo de la desviación estándar permite determinar diferencias en la intensidad
de las señales de ruido electroquímico sobre extensas cantidades de datos y está
61
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
directamente relacionado con cada aplicación específica a través de los intervalos
de tiempo empleados para su determinación.
Otra importante forma de extraer información contenida en las señales de
ruido electroquímico consiste en realizar un análisis en el dominio de la frecuencia.
La señal de ruido electroquímico está compuesta por diferentes frecuencias
dependiendo del tipo y cantidad de fuentes de ruido que la producen y,
naturalmente, de los filtros empleados en el acondicionamiento de la misma. Para
efectuar dicho análisis, es necesario realizar una transformación de los espectros
del dominio del tiempo al dominio de la frecuencia, obteniéndose así la posibilidad
de determinar cuáles frecuencias juegan un papel decisivo en la señal y cuales
carecen de importancia. A través de estos espectros, también se pueden
reconocer señales externas que distorsionan la señal, como, por ejemplo, la
proveniente de fuentes de corriente alterna.
La Transformación Rápida de Fourier (FFT) suele ser el método más
sencillo para obtener los espectros en función de la frecuencia. Sin embargo, en
realidad este es el método menos adecuado ya que el carácter estocástico
(discontinuo, no periódico) de las señales de ruido electroquímico conlleva a que
los eventos no puedan ser visualizados en el espectro. Ante esta limitante, surge
como alternativa el uso de la transformación conocida como Short Time Fourier
Transformation (STFT), la cual permite la localización de frecuencias en señales
variantes en el tiempo, pero ofrece una muy limitada resolución en frecuencia
dependiendo del intervalo de tiempo seleccionado y viceversa (Principio de
indeterminación de Heisenberg)111.
En los últimos años, el uso de la técnica de Wavelet ha ganado un
considerable interés por sus importantes ventajas para el análisis de las señales
de ruido electroquímico112,113.
62
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
A pesar de todo la anterior la técnica de Ruido Electroquímico esta lejos de
la perfección y se requiere que se siga investigando al respecto, lo cual no quiere
decir que no es una importante técnica electroquímica la cual ha ayudado a
entender más el fenómeno de corrosión
2.4 Pruebas Químicas.
2.4.1 Cloruros
Se realizaron también mediciones del contenido de iones de cloruro en el
concreto, para esto se hicieron perforaciones a diferentes profundidades para
detectar la cantidad de iones cloruro en el concreto, la profundidad a las que estos
han llegado dentro de las probetas, si han llegado ya al acero de refuerzo y su
efecto en él basándose en la norma ASTM G109 - 07114.
Figura 18. Probeta de concreto después hacer las perforaciones y recolección de
polvo del concreto para elaborar las pruebas para la determinación de cloruros.®
Habiéndose producido dos elementos para realizar pruebas de cloruros, uno con
micro sílice y el otro de concreto simple se realizaron perforaciones a diferentes
63
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
profundidades en cada uno para obtener el polvo de concreto obtenido y poder
determinar el contenido de cloruros.
Para esto se utilizan bracas de diferentes diámetros siendo el de la primera el
diámetro mayor que las subsecuentes. Después de taladrar aproximadamente
1/3” se recolecto el polvo y se guardo en bolsas plásticas sellables, esto se repite
dos veces para cada elemento teniendo material para analizar de tres diferentes
profundidades.
64
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
CAPITULO 3.
Resultados y Discusión
Los resultados obtenidos de la caracterización por corrosión del concreto
reforzado con adiciones de microsilice por las técnicas electroquímicas las cuales se
pudieron obtener la tendía activo-pasiva, el mecanismo de corrosión, la resistencia
electroquímica (Rn), el índice de picaduras (IL), entre otros parámetros, y de esta manera
realizar la evaluación del comportamiento ante la corrosión de los materiales con
microsilice y compararlos con un concreto fabricado con el 100% de cemento Portland.
3.1 Resistencia Mecánica
Gráfica 1. Valores de resistencia a la compresión de los elementos de concreto
simple y con microsílice.
En la grafica 1 se observa que los elementos con microsílice tienen una mayor
resistencia a la compresión que los de concreto simple por lo cual se observa que
las adiciones de microsílice, no están afectando el parámetro mecánico de este
65
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
material. Esto se podría explicar por el producto de las reacciones químicas y por
efectos físicos de las puzolanas.
El sílice amorfo y el hidróxido de calcio (CH) producido por la hidratación del
cemento para formar CSH hacen el efecto químico debido a las reacciones
puzolánicas. El efecto que tienen las partículas de microsílice, de envolver o recubrir
los materiales sólidos, llenando los espacios entre los granos de cemento, de la
misma manera que el cemento llena los espacios entre los agregados finos, y los
agregados finos llenan los espacios de los agregados gruesos del concreto.
3.2 Pruebas Electroquímicas
El análisis e interpretación de resultados fue de forma continua durante la
experimentación, esto para retroalimentar el sistema en caso de desviaciones
significativas durante los ensayos. Se utilizo el potenciostato/galvanostato Gill 8
equipo de electroquímica con el que se pudieron realizar todas las pruebas de
corrosión como: potencial de media celda, Resistencia a la Polarización Lineal y
Ruido electroquímico.
3.2.1 Potencial de Media Celda
Consiste en medir el potencial de corrosión (ASTM C876-09) del acero en el
concreto mediante uso de electrodos de referencia. Se determinará el potencial
electroquímico, que es un potencial eléctrico de metal, relativo a un electrodo de
referencia, medido bajo condiciones de circuito abierto. En la figura 22, se observa el
esquema general para poder realizar la medición del potencial de corrosión del acero
embebido en el concreto.
66
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Figura 22. Esquema general para realizar la medición de potenciales de corrosión.®
La interpretación de los potenciales de corrosión se realiza con base a la norma
ASTM C-876 (ver tabla 1) u organismos internacionales como el DURAR115.
Potencial Ecorr (mV) Riesgo de Daño
> -200 10 % de probabilidad de corrosión
-200 a -350 Cierta incertidumbre
< -350 90 % de probabilidad de corrosión
ASTM C-876 (ASTM C876-91 (reapproved 1999) Standard Test Method for Half-Cell
Potentials of Uncoated Reinforcing Steel in Concrete)116.
Tabla 9. Interpretación de resultados de los potenciales de corrosión
El análisis de las gráficas de potencial de corrosión o potenciales de media
celda obtenidas durante el monitoreo por corrosión de esta investigación se realizó
67
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
de acuerdo a los criterios de evaluación establecidos por la norma ASTM C-876 y
a criterios establecidos por organismos internacionales como el (DURAR), ver
Tabla 9.
Los valores de potencial proporcionan la probabilidad acerca de la corrosión
del acero que se esté presentando en la estructura de concreto, pero es muy
importante que estos sean interpretados adecuadamente considerando la
información que pueda recopilarse acerca de las condiciones climatológicas y
ambientales circundantes a la estructura, así como de la calidad de los materiales
(concreto) empleados y su correcto uso.
El potencial electroquímico de corrosión (Ecorr
) del acero en concreto es un
parámetro que indica el estado de avance de la corrosión del acero (pasivo o
activo).
En la Gráfica 2 Se presentan los resultados del comportamiento del potencial
de corrosión para los especímenes con las diferentes combinaciones de concreto
y acero de refuerzo.
Los concretos con adiciones de microsílice y acero limpio presentaron valores
en la zona de 10% de probabilidad de corrosión con potenciales entre -133 y -
177.6 mV de la semana 1 a la 23, de la semana 25 a la 63 tuvieron valores en el
rango de incertidumbre con potenciales entre -216 a -343.2; finalmente entraron a
la zona de 90% de corrosión de la semana 63 en delante con valores de potencial
entre -358.8 hasta 584.9 en la semana 112 de acuerdo a la norma ASTM C876.
68
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Para los especímenes con microsílice y acero de refuerzo con corrosión
inicial los valores de potencial de la semana 1 a la 20 estuvieron en la zona de
menos del 10% probabilidad e corrosión con potenciales entre -115.1 y -198.6mV,
desde la semana 20 a la 63 estuvieron en incertidumbre con valores de potencial
de corrosión entre -208.2 y -341.3, en la zona de 90% de probabilidad de corrosión
enstuvieron de la semana 63 a la 112 que fue la última medición con resultados de
potenciales entre -355.2 y 594.6mV.
Los potenciales de corrosión en los elementos de concreto simple tienen los
resultados siguientes: Con valores entre -128.9 y -196.7mV de la semana 1 a la 7
en 10% de probabilidad de corrosión, en zona de incertidumbre con potenciales
entre -228.7 y -330.5mV de la semana 10 a la 30 y de la semana 36 a la ultima
medición en la semana 112 con potenciales de corrosión entre -384.4 y 569.6mV
con mas de 90% de probabilidad de corrosión, de acuerdo con ASTM C876.
Finalmente para la combinación de especímenes de concreto sin microsílice
y acero de refuerzo con corrosión inicial, de la semana 1 a la 7 tuvieron valores
entre -157.1 y -192.8, es decir, con 10% probabilidad de corrosión, en zona de
incertidumbre con valores entre -227.1 y 348.9 mV, en el periodo entre las
semanas 10 y 17 y de la semana 20 a la 112 siendo esta la última medición se
obtuvieron valores de potenciales de corrosión entre -395.4 y 572.6 mV
considerándose por el rango de valores que están con por lo menos 90% de
probabilidad de corrosión en ese periodo.
Todo lo anterior según lo establecido por la norma ASTM C876.
69
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Gráfica 2. Potenciales de corrosión de media celda.
3.2.2 Resistencia a la Polarización Lineal
A continuación se muestran algunos de los resultados de las mediciones de
resistencia a la polarización (ver tablas 10-22) donde aparecen los parámetros
electroquímicos como: resistencia a la polarización, Icorr y Velocidad de Corrosión
-700
-600
-500
-400
-300
-200
-100
0
1
2 4 7
10
13
15
17
20
23
26
30
36
40
43
51
56
63
70
74
86
93
98
112
Eco
rr(m
V)
Vs.
Cu
/Cu
SO4
Periodo de Experimentacion (semanas)
CS1
CS2
CS3
CC1
CC2
CC3
SS1
SS2
SS3
SC1
SC2
SC3
70
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
para los especímenes en estudio. La primera tabla muestra valores iníciales y las
siguientes la evolución de los mismos.
Se muestran tablas de las semanas donde las variaciones de los valores
fueron más representativas:
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 664.8 0.42 4.9
CS2 585.6 0.43 5.0
CS3 557.9 0.38 4.4
CC1 556.1 0.44 5.1
CC2 473.5 0.43 5.0
CC3 389.8 0.40 4.6
SS1 883.2 0.65 7.5
SS2 514.4 0.67 7.7
SS3 627 0.63 7.3
SC1 456.7 0.76 8.8
SC2 547.5 0.77 8.9
SC3 402.1 0.73 8.4
Tabla 10. Resultados RPL, semana 15.
71
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 740.5 0.45 5.2
CS2 685.3 0.42 4.9
CS3 594.4 0.40 4.6
CC1 627.3 0.41 4.7
CC2 546 0.44 5.1
CC3 507.3 0.43 5.0
SS1 935.3 0.70 8.1
SS2 556.6 0.69 8.0
SS3 731.9 0.74 8.6
SC1 494.3 0.88 10.2
SC2 597.7 0.85 9.8
SC3 364.1 0.84 9.7
Tabla 11. Resultados RPL, semana 23.
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 723.8 0.47 5.4
CS2 710.1 0.44 5.1
CS3 395.4 0.45 5.2
CC1 562.6 0.50 5.8
CC2 378.8 0.43 5.0
CC3 490.5 0.46 5.3
SS1 836.2 0.79 9.1
SS2 511.5 0.74 8.6
SS3 620.9 0.78 9.0
SC1 335.8 0.83 9.6
SC2 433.5 0.91 10.5
SC3 308.3 0.90 10.4
Tabla 12. Resultados RPL, semana 28
72
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 428.9 0.47 5.4
CS2 569.8 0.43 5.0
CS3 422.1 0.49 5.7
CC1 560.5 0.40 4.6
CC2 545 0.47 5.4
CC3 449 0.44 5.1
SS1 862 0.49 5.7
SS2 532.3 0.83 9.6
SS3 666.2 0.80 9.2
SC1 339.12 0.99 11.4
SC2 371.65 1.07 12.4
SC3 381.9 1.04 12.0
Tabla 13. Resultados RPL, semana 30.
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 849.4 0.49 5.7
CS2 865.4 0.53 6.1
CS3 493.6 0.50 5.8
CC1 654.3 0.65 7.5
CC2 590.5 0.61 7.1
CC3 495 0.62 7.2
SS1 788.5 0.73 8.4
SS2 600.9 0.68 7.9
SS3 648.7 0.75 8.7
SC1 306.2 1.38 16.0
SC2 303.7 1.40 16.2
SC3 430.9 1.34 15.5
Tabla 14. Resultados RPL, semana 36.
73
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 891.8 0.66 7.6
CS2 660.2 0.62 7.2
CS3 499.4 0.65 7.5
CC1 675.6 0.63 7.3
CC2 605.9 0.70 8.1
CC3 537.8 0.61 7.1
SS1 552.9 1.10 12.7
SS2 414.2 1.06 12.3
SS3 646.6 1.07 12.4
SC1 253 1.42 16.4
SC2 307.2 1.53 17.7
SC3 299.3 1.48 17.1
Tabla 15. Resultados RPL, semana 43.
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 598.7 0.69 8.0
CS2 632.6 0.62 7.2
CS3 639.9 0.65 7.5
CC1 766.8 0.55 6.4
CC2 683.6 0.72 8.3
CC3 641.8 0.66 7.6
SS1 560.6 1.01 11.7
SS2 426.6 1.08 12.5
SS3 741 1.07 12.4
SC1 266.9 1.58 18.3
SC2 278.3 1.52 17.6
SC3 320.3 1.62 18.7
Tabla 16 Resultados RPL, semana 51.
74
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 955.8 0.66 7.6
CS2 887.9 0.60 6.9
CS3 554.9 0.68 7.9
CC1 682.7 0.62 7.2
CC2 746 0.67 7.7
CC3 708.7 0.60 6.9
SS1 492.2 1.12 12.9
SS2 421 1.00 11.6
SS3 725.8 1.03 11.9
SC1 262.5 1.61 18.6
SC2 268.1 1.58 18.3
SC3 297.8 1.62 18.7
Tabla 17 Resultados RPL, semana 56.
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 784.9 0.72 8.3
CS2 618.7 0.68 7.9
CS3 622.1 0.66 7.6
CC1 628.5 0.68 7.9
CC2 701.5 0.69 8.0
CC3 675.1 0.59 6.8
SS1 305.7 1.10 12.7
SS2 357.2 0.99 11.5
SS3 498.2 1.07 12.4
SC1 226.9 1.68 19.4
SC2 234.7 1.94 22.4
SC3 263.4 1.86 21.5
Tabla 18. Resultados RPL, semana 63.
75
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 925.33 0.77 8.9
CS2 685.02 0.72 8.3
CS3 518.18 0.74 8.6
CC1 701.00 0.72 8.3
CC2 628.68 0.78 9.0
CC3 558.02 0.77 8.9
SS1 573.69 1.15 13.3
SS2 429.77 1.07 12.4
SS3 670.91 0.96 11.1
SC1 262.51 1.93 22.3
SC2 318.75 1.98 22.9
SC3 310.55 1.89 21.8
Tabla 19 Resultados RPL, semana 70.
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 930.67 0.79 9.1
CS2 864.56 0.82 9.5
CS3 540.31 0.70 8.1
CC1 664.75 0.84 9.7
CC2 726.39 0.80 9.2
CC3 690.07 0.82 9.5
SS1 479.26 1.19 13.8
SS2 409.93 1.03 11.9
SS3 706.72 1.09 12.6
SC1 255.60 1.98 22.9
SC2 261.05 1.97 22.8
SC3 289.97 1.79 20.7
Tabla 20. Resultados RPL, semana 78.
76
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 847.07 0.76 8.8
CS2 786.89 0.75 8.7
CS3 491.77 0.69 8.0
CC1 605.03 0.70 8.1
CC2 661.13 0.89 10.3
CC3 628.08 0.86 9.9
SS1 436.21 1.24 14.3
SS2 373.11 1.16 13.4
SS3 643.23 1.09 12.6
SC1 232.64 1.96 22.7
SC2 237.60 1.90 22.0
SC3 263.92 1.99 23.0
Tabla 21. Resultados RPL, semana 93.
Espécimen LPR (Ω) Icorr (µA/cm2) Vel.corr(mm/año)
CS1 799.66 0.79 9.1
CS2 742.85 0.75 8.7
CS3 464.25 0.78 9.0
CC1 571.17 0.96 11.1
CC2 624.13 0.98 11.3
CC3 592.92 0.90 10.4
SS1 411.79 1.26 14.6
SS2 352.22 1.32 15.3
SS3 607.23 1.27 14.7
SC1 219.62 1.98 22.9
SC2 224.30 2.01 23.2
SC3 249.15 1.95 22.5
Tabla 22. Resultados RPL, semana 112.
77
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
En las gráficas de Potencial Vs Corriente (E vs i), (gráfica 3) se puede
observar el comportamiento de la velocidad de corrosión de cada espécimen en
estudio, después de alrededor de 112 semanas de monitoreo. El cálculo de la
velocidad de corrosión se realiza por medio de la Stern y Geary, para obtener las
densidades de corriente (Icorr
), en μA/cm2
, y de esta manera poder evaluar el nivel
de corrosión.
La Red Durar emplea un criterio para determinar el nivel de corrosión donde
presenta cuatro niveles de corrosión; que van de despreciables hasta niveles muy
elevados de corrosión como se muestra en la Tabla 23. Todos estos valores se
basan en considerar corrosión generalizada. Cuando la corrosión es localizada se
calcula la penetración local máxima del ataque, multiplicandolo por 10 el valor
medido. Así, para un valor de Icorr
de 0,3 μA/cm2
(3 μA/año de penetración
homogénea) se puede calcular que en caso de ataque localizado, la máxima
profundidad de picaduras será de 30 μA/año114.
Los valores de velocidad de corrosión se pueden utilizar también para estimar la
pérdida de capacidad portante estructural 114.
Icorr
(μA/cm2
) Nivel de Corrosión
< 0.1 Despreciable
0.1 – 0,5 Moderado
0,5 – 1 Elevado > 1 Muy elevado
Tabla 23. Criterio de Evaluación del nivel de corrosión.
78
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Gráfica 3. Velocidad de corrosión obtenida por RPL
En esta gráfica se observan las velocidades de corrosión determinadas por
El método de Resistencia a la Polarización Lineal
Los elementos con mayores velocidades de corrosión son los fabricados
con concreto simple y acero de refuerzo con corrosión inicial (SC), ya que el
concreto no contiene micro sílices por lo que es un concreto menos denso que uno
con micro sílice y además el acero de refuerzo tenia corrosión inicial; con estas
características lo esperado es justamente que sean los que tienen la mayor
velocidad de corrosión. Dichos Elementos mostraron velocidades de corrosión de
moderados, es decir, mayores a 0.5µA/cm2 desde edades tempranas y más de
1.0 µA/cm2 después de la semana 36, rango de valores de acuerdo a la Tabla 23.
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
1.20
1.40
1.60
1.80
2.00
15 23 28 30 36 43 51 56 63 70 78 93 112
Ico
rr(µ
A/c
m2)
Periodo de experimentacion (semanas)
CS
CC
SS
SC
79
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Los elementos que les siguen en velocidad de corrosión aún alta son los
que tienen nomenclatura SS, que son los que tienen un concreto sin micro sílices
y el acero de refuerzo no tenia corrosión inicial que tiene valores de Icorr mayores
a 1.0 µA/cm2 que se consideran muy elevados desde la semana 43.
Los elementos con microsílice, ya sea con acero de refuerzo limpio o con
corrosión inicial tienen velocidades de corrosión muy similares, velocidades
pequeñas o moderadas con valores hasta 0.5 µA/cm2 hasta la semana 51, no
llegando a tener valores mayores a 1.0 µA/cm2 en ningún momento de este
trabajo de investigación.
Gráfica 4. Valores de Resistencia de (LPR) para los especímenes en estudio.
80
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
3.3 Ruido Electroquímico.
Esta técnica consiste, en conectar dos electrodos de trabajo (WE, Working
Electrode) nominalmente idénticos y registrar las variaciones de la corriente que
fluye entre ellos (ΔI) en función del tiempo y simultáneamente se registran las
variaciones del potencial de ambos electrodos (∆V) frente a un electrodo de
referencia (RE, Reference Electrode). El electrodo de referencia utilizado durante
al monitoreo de los especímenes estudiados fue el de Cu/SO4Cu.
La técnica de ruido electroquímico es muy sensible y útil, además de poder
estimar la velocidad de corrosión del sistema, se emplea particularmente en
situaciones en donde los procesos incluyen corrosión generalizada o la
interpretación del rompimiento de la película pasiva y el ingreso de las especies
provocando corrosión localizada, esta técnica caracteriza la forma y el tipo de
corrosión mediante dos tipos de análisis: visual y estadístico.
3.3.1 Análisis visual de las series de tiempo.
El análisis visual de las series de tiempo, permite identificar las características de
los tipos de corrosión, asociado los transitorios a corrosión generalizada o al
rompimiento o repasivación, así como las oscilaciones asociadas a hendiduras o
picaduras.
Las serias de tiempo de ruido electroquímico en potencial y corriente para la
los concretos de esta investigación se analizan en las graficas siguientes.
81
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Las series de tiempo de ruido electroquímico en corriente y potencial (con
tendencia y sin tendencia) para el espécimen CS se observan en la grafica 5 se
observan para el especímenes que contienen microsílice y sin corrosión, por lo
que su comportamiento en la señal de ruido electroquímico indicaría que no tiene
corrosión, El ruido en potencial esta en valores de -245 a -260 mV con respecto al
electrodo de referencia. Las fluctuaciones de la señal de las series de ruido en
corriente y potencial son prácticamente similares la tendencia y su
comportamiento es igual. A medida que el potencial se vuelve más negativo la
corriente tiende a bajar, la frecuencia de los transitorios son muy bajos.
Gráfica 5. Series de tiempo de ruido electroquímico para espécimen CS.
0 200 400 600 800 1000 1200-1
0
1
2
3Potencial y Corriente en el Tiempo Sin Tendencia (Polinomio)
Tiempo, seg
Pote
ncia
l vs E
SC
(V
)
0 200 400 600 800 1000 1200-0.05
0
0.05
0.1
0.15
0 200 400 600 800 1000 1200-265
-260
-255
-250
-245
Potencial y Corriente en el Tiempo
Tiempo, seg
Pote
ncia
l vs E
SC
(V
)
0 200 400 600 800 1000 12000
0.1
0.2
0.3
0.4
82
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
En la grafica 6 se observan las series de tiempo de ruido electroquímico en
corriente y potencial (con tendencia y sin tendencia) para el especímenes que
contienen microsílice y sin corrosión, por lo que su comportamiento en la señal
de ruido electroquímico indicaría que no tiene corrosión, El ruido en potencial esta
en valores de -385 a -400 mV con respecto al electrodo de referencia. En las
series de ruido en corriente y potencial se puede ver que a medida que el
potencial se vuelve más negativo la corriente tiende a incrementarse, pero
después los transitorios de la señal son muy bajos.
Gráfica 6. Series de tiempo de ruido electroquímico para espécimen CC.
0 200 400 600 800 1000 1200-5
0
5Potencial y Corriente en el Tiempo Sin Tendencia (Polinomio)
Tiempo, seg
Pote
ncia
l vs E
SC
(V
)
0 200 400 600 800 1000 1200-0.1
0
0.1
0 200 400 600 800 1000 1200-405
-400
-395
-390
-385
Potencial y Corriente en el Tiempo
Tiempo, seg
Pote
ncia
l vs E
SC
(V
)
0 200 400 600 800 1000 1200-0.2
-0.15
-0.1
-0.05
0
83
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
En la gráfica 7 se pueden observar las series de tiempo de ruido electroquímico
en corriente y potencial donde la señal de los transitorios de ruido en potencial
son más intensos que los de corriente, indicando una probabilidad de una mayor
corriente, pero al observar los valores de corriente de 10-8 µA/cm2 resultaría una
corrosión menos intensa.
Gráfica 7. Series de tiempo de ruido electroquímico para espécimen SS.
0 200 400 600 800 1000 1200-0.1
-0.05
0
0.05
0.1
0.15Potencial y Corriente en el Tiempo Sin Tendencia (Polinomio)
Tiempo, seg
Pote
ncia
l vs E
SC
(V
)
0 200 400 600 800 1000 1200-5
0
5
10
15
20x 10
-3
0 200 400 600 800 1000 1200-312
-311
-310
-309
Potencial y Corriente en el Tiempo
Tiempo, seg
Pote
ncia
l vs E
SC
(V
)
0 200 400 600 800 1000 12000
0.02
0.04
0.06
84
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
El espécimen SC (grafica 8) sus series de tiempo de ruido electroquímico
en corriente y potencial tiende a presentar una corrosión más intensa que los
especímenes anteriormente analizados donde la señal de las series de tiempo
(con tendencia y sin tendencia) indicaría que hay una mayor corrosión, El ruido en
potencial esta en valores de -400 mV con respecto al electrodo de referencia. Las
fluctuaciones de la señal de las series de ruido en potencial son más intensas que
la de la corriente y esto indica mayor activación del material en estudio. Los
transitorios de la señal en corriente son mucho mayor.
Gráfica 8. Series de tiempo de ruido electroquímico para espécimen SC.
0 200 400 600 800 1000 1200-0.5
0
0.5Potencial y Corriente en el Tiempo Sin Tendencia (Polinomio)
Tiempo, seg
Pote
ncia
l vs E
SC
(V
)
0 200 400 600 800 1000 1200-0.01
0
0.01
0 200 400 600 800 1000 1200-403
-402.8
-402.6
-402.4
-402.2
-402
-401.8
Potencial y Corriente en el Tiempo
Tiempo, seg
Pote
ncia
l vs E
SC
(V
)
0 200 400 600 800 1000 1200-0.04
-0.035
-0.03
-0.025
-0.02
-0.015
-0.01
85
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Tabla 24. Parámetros Electroquímicos de Ruido Electroquímico
86
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Resistencia a la
Polarización Lineal (LPR) Ruido Electroquímico (EN)
Espécimen
Rp
(Ω)
Icorr
(µA/cm2)
Crate
(mm/Año) Rn (Ω)
Icorr
(µA/cm2) I.L
SC 226.9 1.60 1.86 65.82 3.95 0.61
SS 305.7 1.20 1.39 70.08 3.71 0.48
CC 628.5 0.60 0.70 115.56 1.25 0.34
CS 651.5 0.38 0.44 412.70 0.63 0.31
Tabla 25. Parámetros Electroquímicos de RPL y Ruido Electroquímico
Esta tabla indica los valores de los elementos más representativos de cada Grupo
de especímenes reflejando El comportamiento de cada grupo a lo largo Del
período de experimentación.
3.3.2 Análisis de la morfología de corrosión por el método estadístico.
Para analizar la morfología de corrosión que presentaban los metales
después de estar expuestos en medios agresivos, se realiza por el método
estadístico (Kelly y Hudson, 1996).
El valor estadístico empleado, se realiza mediante un análisis del ruido en
electroquímico en corriente, y es la razón de la desviación estándar con la raíz
media cuadrática, llamado “índice de localización o de picado” (I.L)
87
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
El resultado indica el tipo de corrosión presente en el sistema en estudio
como corrosión localizada, generalizada, mixta o inicio de picaduras, estas
morfologías se indican en la Tabla 26.
Los resultados del índice de localización para las diferentes formulaciones
de concretos aligerados con mezclas ternarias y con diferente condición en el
acero, presentan tipos de corrosión localizada.
Por medio de esta técnica se obtuvo el tipo de corrosión que presento el
acero de refuerzo embebido en los especímenes de concreto, con la finalidad de
conocer si esta adición microsílice en los porcentajes, relación agua-cemento y
para el tipo de cemento utilizado brindaba a este (acero) protección contra el
ataque de cloruros. El índice de localización fue el parámetro utilizado para
conocer el tipo de corrosión, este se calculo mediante el cociente de la desviación
estándar de la corriente ( y la raíz cuadrática media de la corriente según
lo estipulado en la norma G 199-09117. Para interpretar los valores obtenidos del
índice de localización se utilizaron los valores de la tabla 26 por medio de los
cuales se conoció el tipo de corrosión que se estaba presentando en el acero de
refuerzo embebido en concretos en estudio.
I.L Tipo de corrosión
0.001 - 0.01 Generalizada
0.01 - 0.1 Mixta
0.1 – 1 Localizada
> 1.0 Iniciación de Picado
Tabla 26. Interpretación del índice de localización.
88
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Espécimen
I.L Tipo de
Corrosión
SC 0.61 Localizada
SS 0.48 Localizada
CC 0.34 Localizada
CS 0.31 Localizada
Tabla 27. Resultados del Índice de Localización para las formulaciones de
Concretos en estudio.
89
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
3.4 Comparativa de los resultados de laboratorio vs. Especímenes de
prueba.
Se extrajo el refuerzo de acero de los elementos más representativos de las
diferentes variables, es decir, de probetas de concreto con microsílice y de
concreto simple y de cada una de ellas de los elementos con corrosión inicial y
con elementos sin corrosión al inicio del ensayo para verificar los resultados de
laboratorio con las condiciones reales de los elementos de estudio obteniendo los
siguientes resultados:
En las figuras siguientes se presentan las muestras antes descritas:
Figura 23. Muestra de concreto con microsílice con Acero de refuerzo sin
corrosión inicial (CS).
En la figura 23 se observa que el elemento de acero tiene poca corrosión
localizada esto debido a la protección dada por un concreto compacto, poco
permeable y mas denso por la adición de microsílice y a que el acero no tenia
corrosión inicial..
90
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
En la figura 24 El elemento de acero de refuerzo también presenta corrosión
localizada leve o moderada a pesar de tener corrosión al inicio del experimento,
todo esto por la protección mencionada anteriormente gracias a la adición del
microsílice al concreto.
Figura 24. Elemento de refuerzo proveniente de una probeta de concreto con
adición de microsílice. (CC).
Figura 25. Elemento de acero de refuerzo sin corrosión inicial proveniente de una
probeta de concreto simple (SS).
91
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Figura 26. Elemento de acero de refuerzo con corrosión inicial proveniente de una
probeta de concreto simple (SC).
Como puede verse en las figura 26 la corrosión en el elemento metálico es mucho
más notable, de tipo localizado e inclusive se observan muestras de productos de
corrosión en el concreto que cubría al acero de refuerzo.
En la figura 26 el elemento presenta corrosión localizada notoria teniendo el
concreto que lo recubría productos de corrosión en cantidad considerable. Este
espécimen de concreto en particular mostraba un par de manchas de corrosión en
el exterior muestra de la cantidad de productos de corrosión producidos.
En esto dos últimos casos el concreto era simple y no brindo protección
suficiente a ninguno de los elementos ya fuera con o sin corrosión inicial, siendo
grande la velocidad de corrosión en el elemento con corrosión inicial y
propiedades del concreto adecuadas para que en esas condiciones proporcione
92
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
una vida de servicio y/ útil satisfactoria de pertenecer a alguna estructura sujeta a
las condiciones del estudio.
93
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Capitulo 4.
Conclusiones y Recomendaciones
4.1 Conclusiones
Resistencia Mecánica.
La adición de microsílice al concreto sin duda modifico sus propiedades
mecánicas, de resistencia eléctrica y permeabilidad por lo que los niveles de
corrosión en los elementos de prueba embebidos en concreto con microsílice
tienen valores de velocidad de corrosión más bajos y por lo tanto una mayor vida
de servicio.
Los valores de resistencia mecánica aumentaron entre un 19 y un 24% en
los elementos con adición de microsílice respecto a los de concreto simple, esto
debido a su mayor densidad y menor porosidad, ya que el microsílice llena esos
pequeños espacios que el agregado fino del concreto fino ya no logra llenar.
Esto influye también en su menor permeabilidad ya que los cloruros y
humedad tienen una mayor resistencia para avanzar hacia el acero de refuerzo
sobre todo si se siguen las recomendaciones de recubrimiento mínimos requerido
para diferentes ambientes.
94
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Potenciales de Media Celda
En el caso de los valores de Potenciales de Media Celda aumentaron para
los elementos sin micro sílice con nomenclatura SS y SC, los cuales entran a la
zona de incertidumbre a edades cercanas a las 7 semanas y desarrollaron
potenciales de corrosión que los colocaban con 90% de probabilidad de corrosión
a edades de 17 (SC) y 30 semanas (SS) respectivamente, esto basando en los
valores de la norma ASTM 876 9179.
Por otro lado se puede ver los valores de potencial de media celda para los
especímenes con microsílice están en zona de 10% de posibilidad de corrosión
hasta entrada las semana 20 (CC) y 23 (CS) respectivamente; se mantuvieron en
zona de incertidumbre por varias semanas hasta entrar a zona de 90% de
posibilidad de corrosión hasta las semanas 63 para ambos caso. Estos
especímenes con microsílice se mantienen con potenciales de corrosión de bajos
a moderados durante gran parte de la experimentación gracias a la protección
brindada por el microsílice, indicando que el proceso de corrosión esta pasivado o
desarrollándose muy lentamente lo que permite pronosticar una buena vida útil a
estos refuerzos del concreto bajo estas condiciones.
Resistencia a la Polarización Lineal (LPR).
Los valores más altos de velocidad de corrosión obtenidos por la técnica de
resistencia a la polarización lo tienen elementos Sin micro sílice y con Corrosión
(SC) con valores entre , le siguen los elementos Sin micro sílice y Sin Corrosión
inicial (SS) y después están los elementos Con micro sílice (CS) y (CC) los cuales
tienen velocidades de corrosión de moderadas a bajas gracias a las propiedades
proporcionadas al concreto por el microsílice.
95
M.I. MAURO UBER LOYA TELLO CIMAV
Ruido Electroquímico
De las pruebas de Ruido Electroquímico donde la tendencia es la misma
mostrando que la variable de corrosión inicial es importante sólo si el concreto no
tiene micro sílice pero no en los casos donde la mezcla de concreto tiene micro
sílice, el cual vuelve al concreto más denso y permite que las estructuras de
concreto reforzado tengan una vida útil más larga con un menor costo de
mantenimiento.
Los valores obtenidos del Índice de Localizaron debido a que los valores
están dentro de 0.01< I.L < 1.0 se considera que existe una corrosión localizada.
4.2 Recomendaciones
Complementar los estudios con un análisis petrográfico de la matriz del
concreto, para conocer el aspecto descriptivo, composición mineralógica y
su estructura.
Realizar una evaluación electroquímica de la corrosión del acero de
refuerzo en NaSO4. Ya que el ataque de sulfatos no solo produce
degradación por expansión y fisuración provocando elevadas velocidades
de corrosión; sino también, una reducción en la resistencia mecánica
debido a la perdida de cohesión en la pasta de cemento, con pérdida de
adherencia entre la pasta y las partículas del agregado
96
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Capitulo 5.
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Apéndice 1. Potenciales de Corrosión
CS1 CS2 CS3 CC1 CC2 CC3
1 -134.8 -136.9 -142.3 -115.1 -138.9 -174.3
2 -133 -137.1 -140.7 -113.4 -138 -170.7
4 -133.8 -156.6 -126.9 -111.5 -124.9 -168.5
7 -130.3 -149.7 -174.8 -105.4 -123.3 -146.6
10 -133.7 -143.7 -177.6 -109.5 -120.8 -145.2
13 -160.7 -156.2 -169.7 -116.4 -116.9 -187.8
15 -181.5 -189.8 -173.9 -123.8 -140.3 -195.4
17 -190.6 -216.9 -184.7 -162.3 -177.1 -198.6
20 -197.4 -214.3 -185 -208.7 -239.2 -271.3
23 -211.3 -202.1 -186.1 -212.5 -284.9 -288.1
26 -247.3 -209.7 -216.3 -214.2 -288 -312.4
30 -239.9 -208.9 -207.1 -208.2 -299.4 -328.4
36 -259.8 -217.6 -211.3 -234.5 -303.4 -336.7
40 -284.6 -234.4 -249.2 -282.8 -306.2 -344.6
43 -279.3 -239.2 -278.6 -297.2 -318.7 -347.4
51 -302.8 -262.4 -282.7 -301.8 -317.7 -335.2
56 -305.7 -278.7 -311.9 -319.6 -321.1 -341.3
63 -343.2 -298.4 -302.6 -355.2 -322.8 -340.5
70 -358.8 -359.3 -334.3 -357.5 -336.3 -348.4
74 -363 -360.8 -344.1 -358.6 -341.5 -348.1
86 -363.8 -350.6 -352.3 -363.8 -349.6 -352.4
93 -367.1 -335.8 -372.8 -365.8 -350.6 -356.7
98 -363.3 -384.9 -370.2 -380.2 -371.7 -366.3
111
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112 -347.3 -361.2 -383.2 -394.6 -392.6 -391
Potenciales de Corrosión de los elementos con concreto con microsilice.
SS1 SS2 SS3 SC1 SC2 SC3
1 -157.2 -128.9 -151.7 -157.1 -169.1 -167.8
2 -156.1 -127.8 -158.2 -164.6 -166.7 -171
4 -152.3 -156.5 -196.3 -180.7 -170.4 -184.6
7 -190.8 -193.9 -196.7 -190.8 -184.2 -192.8
10 -228.7 -192.2 -237.3 -227.1 -237.4 -256.7
13 -221.9 -277.8 -250.1 -233.2 -292.6 -287.2
15 -231.1 -274.4 -267.9 -288.3 -306.3 -319.5
17 -225.2 -302.1 -272.5 -348.9 -328.3 -346.6
20 -230.7 -309.7 -319.2 -399.7 -395.4 -401.4
23 -332.2 -318.9 -322.7 -422.7 -421.8 -409.1
26 -329.7 -327.6 -330.5 -452.3 -453.8 -424.3
30 -348.8 -344.4 -345.8 -487.2 -485.4 -437.9
36 -438.8 -399.2 -413.8 -490.7 -496.3 -497.6
40 -459.1 -432.4 -438.8 -502.9 -501.2 -509.6
43 -480.5 -438.7 -494.8 -501.4 -512.7 -511.4
51 -485.1 -458.4 -499.6 -505.5 -521.4 -509.5
56 -496.4 -499.3 -507.7 -509.7 -528.3 -518.1
63 -504.5 -500.8 -509.3 -518.5 -524.9 -529.4
70 -505.6 -508.6 -514.2 -526.8 -536.1 -531.3
74 -512.6 -535.8 -526 -529.9 -540.5 -539.8
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Potenciales de Corrosión de los elementos con concreto simple.